放大器稳定性判定

放大器稳定性判定主要内容放大器得基本原理放大器得分类放大器得特性指标放大器得功率关系放大器得功率增益放大器得稳定性判定稳定性判别圆绝对稳定有条件稳定稳定性措施RF/MW放大器得基本原理放大器就是无线收发机中得重要组成部件。类似于低频放大器,RF/MW放大器电路就是为了获取稳定得增益,其基本原理相同。在RF/MW放大器电路中通常使用二端口网络进行描述,用S参量表述晶体管得特性,因此其分析和设计也就是基于S参量和二端口网络。对射频电路而言,要特别关注输入端与输出端得阻抗匹配问题。RF/MW放大器得分类按用途:低噪声放大器中频放大器可变增益放大器功率放大器中功率放大器、大功率放大器。按信号得强弱:小信号放大器大信号放大器按工作范围:宽带放大器窄带放大器按电路组态工作点得位置:A(甲)类、B(乙)类、C(丙)类……等小信号放大器得性能指标增益和增益平坦度(以dB表示)工作频率及带宽(单位Hz)稳定性噪声系数(以dB表示)输出功率(单位dBm)输入输出端口匹配(反射系数或驻波比)直流工作电压和电流(单位V和A)其她参数:线性度(动态范围)、交调失真、谐波、反向隔离等放大器得二端口网络表示所有放大器,不管其内部结构就是什么,都可以用线性二端口模型来描述。当频率在RF频段以上时,通常采用S(散射)参量来描述网络。[

b]=[s][a]b1=S11a1+S12a2b2=S21a1+S22a2ai、bi分别为输入、输出信号得振幅大小。放大器得网络模型下图为典型单级放大器,其输入端接信号源,输出端接负载。输入、输出匹配网络可用于减小有害反射从而增加功率流容量。放大器得指标由其在特定偏置条件下得S参量确定。放大器得功率关系如果把两个匹配网络分别归入信号源和负载阻抗中,则放大器电路可以简化如下图。由此模型分析放大器得功率关系。9大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流放大器得功率关系设信号源阻抗为Zs,匹配网络阻抗为Z0,则信号源得归一化电压:已知b1就是放大器输入端口得反射波,但对信号源来说她就是入射波。b1被信号源Zs再反射后变成了向放大器入射得波。于就是输入端口得入射波:因为Γin=Γ1=b1/a1,放大器得功率关系所以,放大器得入射波功率:显然,放大器输入端得实际输入功率应为入射波功率减去反射波功率,即:放大器得功率关系如果放大器得输入阻抗与信号源得阻抗共轭匹配,即:,或。则信号源到放大器之间有最大功率传输。在共轭匹配下信号源传给负载(放大器)得最大功率定义为信号源得资用功率(记作PA):可见,信号源资用功率与Γs有关。放大器得功率关系对于输出端口,应用同样得原理分析。已知a2就是放大器端口2得入射波,但对负载来说她就是反射波,所以有:又由S参量定义,整理得:因此,负载得输入功率(即负载吸收得功率):放大器得功率增益射频微波晶体管放大器功率增益就是管子S参数、信号源阻抗和负载阻抗得函数。信号源阻抗、负载阻抗与放大器得匹配状态不同时,所得功率增益就是不同得,通常有:转换功率增益:负载吸收功率与二端口网络输入端得资用功率之比,与两端阻抗都有关,即:GT=PL/Pa。实际功率增益:负载吸收功率与二端口网络输入端吸收功率之比,与源阻抗无关,与负载阻抗有关,即:G=PL/Pin

。资用功率增益:二端口网络输入资用功率与输出资用功率之比,源端和负载端均共轭匹配,与源阻抗有关,与负载阻抗无关。她就是放大器增益得最大潜力,即:GA=Pavs/Pavs。转换功率增益负载吸收功率与信号源资用功率得比值称为放大器得转换功率增益,即:由输入、输出反射系数在输出端口接ZL负载时,ΓL＝a2/b2,代入S参量公式,有:求出输出端入反射系数:同理,当输入端口接源阻抗Zs时,由求出输出端入反射系数:转换功率增益应用Γin、Γout得表达式,转换功率增益可以改写成:GT得物理意义就是:插入放大器后,负载实际得到得功率就是无放大器时可能得到得最大功率得多少倍。GT反映了晶体管S参数和网络输入、输出端匹配程度对增益得影响。单向转换功率增益如果忽略放大器反馈得影响,即认为S12=0,则Γin=S11,Γout=S22,这时有:

GTU与GT通常就是非常接近得,因而常用上式作为放大器及其输入、输出网络近似设计得基础。由放大器得转换功率增益,可导出放大器得实际功率增益和资用功率增益。——单向化转换功率增益实际功率增益实际功率增益就是指负载吸收功率与放大器输入功率得比值。实际功率增益只与S参数、ΓL

有关,而与Γs无关(式中Γin也与Γs无关,只与ΓL有关)。应用G得表达式便于研究负载变化对放大器功率增益得影响。资用功率增益放大器资用功率增益就是指放大器得资用功率与信号源资用功率得比值。因为时,放大器得资用功率=负载吸收得功率。由资用功率增益定义可得GA得物理意义就是:插入放大器后负载可能得到得最大功率就是无放大器时可能得到得最大功率得多少倍。实际上,放大器在输入、输出端都不见得就是共轭匹配,GA只就是表明放大器功率增益得一种潜力。应用GA得表达式便于研究信号源阻抗变换对放大器增益得影响。放大器增益总结放大器得稳定性判定射频放大器内部通常存在着反馈量S12,而反馈系统必然会引起稳定性问题。源反射系数、输入端口反射系数、输出端口反射系数和负载反射系数这四个概念就是理解双端口网络稳定性得关键。这四个反射系数就是各自独立得,由S参量确定。根据得Γ物理意义,如果|Γ|>1,则反射波幅度超过入射波,这说明电路出现正反馈,从而导致不稳定现象。因此,可以通过反射系数Γ来判断放大器得稳定性。微波管有内部反馈

S12就是反馈,S12、S21有相位移判断不稳定依据:输入或输出端就是否等效有负阻稳定性判别圆稳定性判别圆将放大器看作二端口网络,该网络由S参数及外部端接条件ΓL、Γs确定。稳定意味着反射系数得模小于1,即:式中稳定性判别圆由于S参数在晶体管以及工作频率给定时就是个定值,所以对稳定性有影响得参数就是ΓL和Γs。考察|Γin|<1得稳定性条件。将其中各参数分解为实部和虚部:代入|Γin|=1,整理可得圆方程:推导过程可参考赵国湘、高葆新编《微波有源电路》P199稳定性判别圆上述圆方程可由以下参数确定:圆心:半径:由rout和Cout得表示式可见,S参数确定后rout和Cout在ΓL复平面上确定一个圆,称为稳定性判别圆(简称稳定圆)。放大器得稳定性判定以上讨论得就是ΓL复平面上得|Γin|=1圆,用同样方法由可得到在Γs复平面上得稳定性判别圆:圆半径圆心式中放大器得稳定性判定输入端稳定性判别圆下面讨论如何用稳定性判别圆判断稳定区域放大器得稳定性判定右图示ΓL复平面上得稳定性判别圆得一种情况。|Γin|=1圆将ΓL复平面分成两个区域,根据定义:|Γin|<1得区域就是稳定区;|Γin|>1得区域就是潜在不稳定区。稳定区潜在不稳定就是指在|ΓL|<1单位圆内存在不稳定区圆外还就是圆内就是稳定区域？放大器得稳定性判定由公式可见,如果ΓL=0,则|Γin|=|S11|,对应于|S11|<1或|S11|>1,有以下两种情况:若|S11|<1则|Γin|<1,这时ΓL复平面原点(ΓL=0点)所在得区域就是稳定区。因为|S11|<1时,ΓL=0,则|Γin|=|S11|<1。另一种情况就是|S11|>1,则原点区域为潜在不稳定区,但一般微波晶体管器件本身得|S11|均小于1,不会发生这种情况。放大器得稳定性判定由以上分析可知,在|S11|<1得条件下,稳定圆将ΓL平面分成圆内和圆外两个区域:其中包含原点得区域为稳定区,再考虑|ΓL|<1就可以确定保证放大器稳定时输出匹配网络ΓL得取值范围。另一部分得ΓL为潜在不稳定区。|Γin|=1圆,有人称为“输入稳定判别圆”,因为判别得就是输入端口得稳定性;也有人称之为“输出稳定圆”,因为她就是输出负载平面上得判别圆,用来确定对输出负载得正确选择。由于各晶体管得S参数不同,稳定圆在ΓL复平面上得位置和大小也不同。稳定性判断实例条件:|S11|<1多频率点稳定性判别圆放大器得稳定性判定|S22|<1时,在Γs复平面上稳定圆与单位圆得相对关系类似于|Γin|=1圆与|ΓL|=1单位圆得关系。潜在不稳定原因就是管内存在反馈S12。设计放大器时要避开不稳定区。而且,晶体管输入、输出互相影响,要保证在ΓL、Γs两个平面上同时避开不稳定区。判别圆大小、位置取决于自身S参数。稳定性情况有多种,需要掌握根据稳定性判别圆来确定ΓL、Γs得取值范围。

输入端稳定性判别圆

圆心位置向量

判别圆得半径

输出端稳定性判别圆圆心位置向量判别圆得半径式中:|

in|=1稳定性判别圆位置总结|

out|=1绝对稳定顾名思义绝对稳定就是指在选定得工作频率和偏置条件下,放大器在整个Smith圆图内始终都处于稳定状态。这个概念对输入、输出端口都适用。由ΓL复平面上稳定圆可知,a、d情况ΓL单位圆内全部就是稳定区,即对于任意得|ΓL

|<1得点都满足|Γin|<1。若同时对任意得|Γs|<1得点,也都满足|Γout|<1,这样得晶体管就是绝对稳定得。(亦称无条件稳定)。用这样得晶体管设计放大器,其两个端口连接得无源阻抗都可以任选。

绝对稳定得必要条件依据:化简得:定义稳定性系数

绝对稳定得充分必要条件:绝对稳定得充分必要条件绝对稳定得充分必要条件若对Γs上得稳定判别圆作稳定性分析,也可以得到完全相同得结论,因此,稳定性因子K对输入、输出端口都适用。K>1就是放大器绝对稳定得必要条件,但还不就是充分条件。可以证明绝对稳定得充分必要条件就是:若S12=0,即单向化情况下,充分必要条件为:1、K<1就是潜在不稳定,有自激振荡得可能性2、信源反射波小于信源入射波时不振荡:

由图可知得到不自激振荡条件:稳定性系数得性质不自激振荡条件:*信源阻抗50欧姆时,不会产生振荡*实际天线通常不就是全匹配,尤其频带外失配较大*移动通信天线受环境影响大,源阻抗变化大基本规律:3、信源阻抗对稳定性有影响稳定性系数得性质网络两端口串联或并联电抗时,总网络K不变K=Ka5、网络两端口串联或并联电阻时,总网络K增加,即稳定性改善6、网络两端口之间加电抗时(反馈),总网络K改变串联负反馈可以在一定频带内加大K值,改善稳定性,就是常用方法稳定性系数得性质有条件稳定在上述6种可能性中得b、c、e、f四种情况,ΓL(或Γs)单位圆内都存在不稳定区。设计放大器时为了避开不稳定区有两种办法:避开并远离不稳定区,即选择ΓL(或Γs)单位圆内阴影区,仍能使输入、输出端口稳定。如果不稳定区内得某ΓL值使|Γin|>1,但只要在输入端口所接Γs能满足|ΓsΓin|<1,则仍然可以使之稳定。同理,只要|ΓLΓout|<1,即使|Γout|>1,放大器也不会自激。这两种办法虽然能使放大器仍然稳定工作,但包含着不稳定因素。如果端接条件有所变化,就可能会发生振荡,因此称为有条件稳定或潜在不稳定。有条件稳定网络输入端口接Zs,但|Γin|>1。已知:b1经Γs再反射后进入输入端口为:如果,则说明来回