《高频与射频电路》第3章 - 有源网络

射频放大电路

射频放大电路

射频放大器的相关理论 低噪声放大器设计 功率放大器设计

放大电路稳定性分析GS Z0 VG+

GIN

GOUT GL

输入匹配 网络

射频晶体管 放大电路[S]

输出匹配 网络

ZL

GS

GIN

GOUT

GL

VG ZG

+

晶体管 放大电路 [S] ZIN ZOUT

ZL

放大电路稳定性分析GS GIN GOUT GL

VG ZG

+

晶体管 放大电路 [S] ZIN ZOUT

ZL

Re Z IN 0 Re Z OUT 0

G IN 1 GOUT 1

G

V V

Z Z0 Z Z0

放大电路稳定性分析

绝对稳定：有条件稳定

G IN 1 GOUT 1

对于任何

GS 1 GL 1

G IN 1 GOUT 1

对于一定范围内的G S 和G L

绝对稳定的充要条件 S11 S22 S12 S 21 K 1 S11 S22 2 2 2

2 S12 S21

1 K 1

放大电路稳定性分析

对于单向传输的晶体管(S12 ≈ 0),一定有K ∞, 且当|S11| < 1, |S22| < 1时，满足|△| < 1的条件， 因此晶体管构成的放大器一定是无条件稳定的。 当放大器电路不满足稳定性条件时，出现G IN 1 或 GOUT 1

的情况，说明放大器电路出现负电阻。可以调节 信号源内阻Zs和负载阻抗ZL,使得放大电路回到 稳定状态。此时需要输入回路总电阻和输出回路 总电阻均为正值： Re Z S Z IN 0 Re Z L Z OUT 0

放大器的稳定措施

通常有两种方法可以采用：–

在输入或输出回路中增加纯电阻(由于放大电路 存在功率增益，为了不增大电路的噪声系数，通 常电阻都加在输出电路中)T R T R

T R

T

R

–

在放大电路中引入负反馈，减少S12形成的正反馈 ，降低输入和输出电路中的电压反射系数。

放大器的稳定措施

缺点：– – –

降低放大电路功率增益 增加放大电路噪声 减少可用输出功率

对于窄带放大电路，应该尽量避免依靠在输入或 输出电路增加电阻的方法，而应该尽可能的调节 电源和负载的反射系数使得放大电路处于稳定状 态。

放大电路的增益GS Z0 VG+

GIN

GOUT GL

输入匹配 网络

射频晶体管 放大电路[S]

输出匹配 网络

ZL

转换功率增益： 工作功率增益： 资用功率增益：

PL 负载吸收的功率 GT PAVS 信号源的可用功率 PL 负载吸收的功率 GP G PIN 输入到网络的功率 GA PAVN 网络的可用功率 PAVS 信号源的可用功率

放大电路的增益GT (1 GS ) S21 (1 G L )2 2 2

1 GS Gin 1 S22 G L2

2

GP

(1 G L ) S212 2

2 2

(1 G in ) 1 S22 G LS 21 (1 GS )2 2 2 1 S11GS (1 G out ) 2

S12 S21G L Gin S11 1 S G 22 L 其中， G

S S12 S21G S 22 out 1 S11G S

GA

放大电路的增益

单向传输情况：由S12 ≈ 0可得 进一步得到 G2 2 2 T

G IN S11 G OUT S 222

(1 GS ) S21 (1 G L ) 1 S11GS 1 S22 G L2

要使晶体管获得最大转换功率增益，要满足* G S S11 * G L S 22

此时有

GT max GS max GO GL max

1 1 S112

S21

2

1 1 S222

等增益圆上式中：GS max 1 1 S11 , GL max 2 1 1 S 2222

归一化增益：

gS

GS 2 1 S11 GS m ax 1 GS S11 2 1 GL2

1 GS

gL

GL 2 1 S 22 GL m ax 1 GL S 22 2

其一般形式：gi 1 Gi2 2

1 Gi Sii

1 S 2 ii

i S, L

ii 11, 22

分别对应输入增益和输出增益

等增益圆Γ的求解结果是一族圆： G其中圆心坐标：d g i 1 S ii2R i R d gi

G2

I i

I d gi

i

2

rg2i

g i S ii

1 g i

r 半径：g

1 g i 1 Sii 1 Sii2

2

1 gi

结论： 1. 在Γ = Sii 时, gi = 1, d = Sii , r = 0, 可得最 大增益Gimax。 2. 所有等增益圆的圆心都落在原点(gi=0)到 Sii 的连线上。增益越小，则圆心越靠近原 点，同时半径越大。 3. 当Γ= 0时，gi=1- Sii ,d = r = Sii /(1+ Sii )。 即Gi=1(0dB)圆总是与Γ平面的原点相切。

噪声系数和等噪声系数圆PNO T 噪声系数的定义： F PNO I可以证明：

PSI SNR IN PNO T PNI PSO G A PNI SNR OUT PNOT

F Fmin

rn YS Yopt gS

2等增益圆

噪声系数只与输入端有关， 而与负载无关。在Smith 圆图上可以画出等噪声系 数圆：GS Gopt N 1 N N 1 Gopt N 14rn

等噪声系数圆

2

注意单位

其中噪声参数 N F Fmin 1 Gopt

噪声系数和等噪声系数圆

射频晶体管的噪声参数主要包括 、 和 ， 这些参数一般由生产厂家提供，设计时可以直接 使用。 在Smith圆图上可以看出，等功率增益圆和等噪 声系数圆是不重合的，在两个圆族中，从小圆到 大圆变化时，噪声系数逐渐增大，功率增益逐渐 减少。不可能同时实现最小噪声系数和最大功率 增益，因此在实际电路设计中，只能选择等噪声 系数和等功率增益圆的较差区域，进行噪声和功 率的折中设计。

射频放大器偏臵电路

常用的双极性晶体管无源偏臵电路 有右边这两种。偏臵电路中的射频 线圈RFC和电容CB是用来隔离射频 信号，电容CC是用来耦合射频输入 和输出信号。 上图中的R1和R2构成了直流偏臵电 阻网络，并形成并联直流电压负反 馈；下图中的R1到R4组成了直流偏 臵网络，采用直流分流的方式为晶 体管提供基极电流IB。

IB

I1

VCC R1 CC RFC RFout

R2 IC RFC CB RFin

R4 R2 VX IX R3 R1 IB IC

VCC CC RFC RFout

RFC CB RFin

无源偏置网络