1、,射頻放大電路,射頻放大電路,射頻放大器的相關(guān)理論 低噪聲放大器設(shè)計 功率放大器設(shè)計,放大電路穩(wěn)定性分析,放大電路穩(wěn)定性分析,絕對穩(wěn)定：,有條件穩(wěn)定,絕對穩(wěn)定的充要條件,放大電路穩(wěn)定性分析,放大電路穩(wěn)定性分析,對于單向傳輸?shù)木w管(S12 0)，一定有K，且當|S11| 1， |S22| 1時，滿足| 1的條件，因此晶體管構(gòu)成的放大器一定是無條件穩(wěn)定的。 當放大器電路不滿足穩(wěn)定性條件時，出現(xiàn) 的情況，說明放大器電路出現(xiàn)負電阻?？梢哉{(diào)節(jié)信號源內(nèi)阻Zs和負載阻抗ZL，使得放大電路回到穩(wěn)定狀態(tài)。此時需要輸入回路總電阻和輸出回路總電阻均為正值：,放大器的穩(wěn)定措施,通常有兩種方法可以采用： 在輸入或輸出

2、回路中增加純電阻（由于放大電路存在功率增益，為了不增大電路的噪聲系數(shù)，通常電阻都加在輸出電路中） 在放大電路中引入負反饋，減少S12形成的正反饋，降低輸入和輸出電路中的電壓反射系數(shù)。,放大器的穩(wěn)定措施,缺點： 降低放大電路功率增益 增加放大電路噪聲 減少可用輸出功率 對于窄帶放大電路，應該盡量避免依靠在輸入或輸出電路增加電阻的方法，而應該盡可能的調(diào)節(jié)電源和負載的反射系數(shù)使得放大電路處于穩(wěn)定狀態(tài)。,放大電路的增益,放大電路的增益,單向傳輸情況：由S12 0可得 進一步得到 要使晶體管獲得最大轉(zhuǎn)換功率增益，要滿足 此時有,放大電路的增益,等增益圓,其一般形式：,歸一化增益：,上式中：,分別對應輸入

3、增益和輸出增益,等增益圓,的求解結(jié)果是一族圓：,其中圓心坐標： 半徑：,結(jié)論： 1. 在 = Sii 時, gi = 1, d = Sii , r = 0, 可得最大增益Gimax。 2. 所有等增益圓的圓心都落在原點(gi=0)到Sii 的連線上。增益越小，則圓心越靠近原點，同時半徑越大。 3. 當= 0時，gi=1- Sii ，d = r = Sii /(1+ Sii )。即Gi=1(0dB)圓總是與平面的原點相切。,注意單位,噪聲系數(shù)和等噪聲系數(shù)圓,噪聲系數(shù)的定義：,噪聲系數(shù)只與輸入端有關(guān)，而與負載無關(guān)。在Smith圓圖上可以畫出等噪聲系數(shù)圓：,可以證明：,其中噪聲參數(shù),噪聲系數(shù)和等噪聲

4、系數(shù)圓,射頻晶體管的噪聲參數(shù)主要包括 、 和 ，這些參數(shù)一般由生產(chǎn)廠家提供，設(shè)計時可以直接使用。 在Smith圓圖上可以看出，等功率增益圓和等噪聲系數(shù)圓是不重合的，在兩個圓族中，從小圓到大圓變化時，噪聲系數(shù)逐漸增大，功率增益逐漸減少。不可能同時實現(xiàn)最小噪聲系數(shù)和最大功率增益，因此在實際電路設(shè)計中，只能選擇等噪聲系數(shù)和等功率增益圓的較差區(qū)域，進行噪聲和功率的折中設(shè)計。,射頻放大器偏置電路,常用的雙極性晶體管無源偏置電路有右邊這兩種。偏置電路中的射頻線圈RFC和電容CB是用來隔離射頻信號，電容CC是用來耦合射頻輸入和輸出信號。 上圖中的R1和R2構(gòu)成了直流偏置電阻網(wǎng)絡(luò)，并形成并聯(lián)直流電壓負反饋；下

5、圖中的R1到R4組成了直流偏置網(wǎng)絡(luò)，采用直流分流的方式為晶體管提供基極電流IB。,16,無源偏置網(wǎng)絡(luò),射頻放大器偏置電路,17,已知 VCE=3V, IC=10mA, VCC=5V, VBE=0.8V, =100, 求無源偏置網(wǎng)絡(luò)阻值.,下圖，先任選VX=1.5V,R1=VX/IX=VX/10IB=1.5k,則：R3=(VXVBE)/IB=7k,解：上圖 I1=IC+IB=10+10/100=10.1mA,R2=(VCCVX)/(IX+IB)=3.18k,則：R1=(VCCVCE)/I1=198,(VBEVXVCC),R4=(VCCVCE)/IC=200,R2=(VCEVBE)/IB=22k,

6、無源偏置網(wǎng)絡(luò),射頻放大器偏置電路,場效應晶體管的偏置網(wǎng)絡(luò) 與雙極結(jié)晶體管偏置網(wǎng)絡(luò)基本相同，主要缺點是需要兩個極性不同的電源。,低噪聲放大器設(shè)計,低噪聲放大器（low-noise amplifier，LNA）是射頻接收機前端的重要組成部分。通常低噪聲放大器位于接收機的最前端，它對微弱的接收信號進行放大并盡可能少地引入本地噪聲。 低噪聲放大器的主要技術(shù)指標： 工作頻率：放大器能夠工作的頻率取決于晶體管的特征頻率 ，常選擇 是工作頻率的510倍。 噪聲系數(shù)：噪聲系數(shù)在不同的應用場合有不同的要求，它的值可以從1dB到幾個dB。噪聲系數(shù)與放大器所選用的晶體管噪聲特性、靜態(tài)工作點、輸入/輸出匹配特性、工作

7、頻率和工藝有關(guān)，是低噪聲放大器最為重要的指標。,低噪聲放大器設(shè)計,低噪聲放大器的主要技術(shù)指標： 增益：放大器增益的大小取決于系統(tǒng)的要求，較大的增益利于抑制后續(xù)電路的噪聲對整個接收機系統(tǒng)的影響，但是增益太大會導致后面的下變頻器輸入過載，產(chǎn)生非線性失真。因此，低噪聲放大器的增益應當適中，一般在25dB以下。 輸入/輸出阻抗匹配：輸出匹配通常采用共軛匹配方式，以實現(xiàn)最大功率傳輸。輸入匹配電路一般有兩種，一為實現(xiàn)噪聲系數(shù)最小的噪聲匹配，二是實現(xiàn)最大功率增益和最小回波損耗為目的共軛匹配。 反向隔離度：反向隔離反應了低噪聲放大器輸出端與輸入端的隔離度，良好的反向隔離可以減少本振信號到天線的泄露。,低噪聲放

8、大器基本電路,低噪聲放大器基本電路框圖如圖所示，主要包括偏置電路、輸入/輸出匹配電路和控制保護電路三部分。 直流（電壓/電流）偏置電路：給放大器提供需要的直流電壓或電流； 阻抗匹配/轉(zhuǎn)換電路：為了實現(xiàn)最大增益、最小噪聲系數(shù)或最大功率傳輸，放大器相應有增益、噪聲和功率匹配網(wǎng)絡(luò)。 控制和保護電路：控制電路通常由開關(guān)、衰減器、移相器和限幅器等器件構(gòu)成，它的主要作用是提高放大器線性度和控制增益。,低噪聲放大器基本電路,常見的LNA電路配置 對場效應管而言，電路配置可以分為共源、共柵、共漏和共源-共柵（cascode）四種基本類型；相應地，對雙極型晶體管而言，電路配置又可以分為共射、共基、共集和共射-共

9、基（cascode）四種基本類型。,FET和BJT的基本電路配置,低噪聲放大器的設(shè)計步驟,依據(jù)應用要求（噪聲，頻率，帶寬，增益，功耗等）選擇合適的晶體管或工藝。 確定LNA電路拓撲。 確定放大器的直流工作點和設(shè)計偏置電路。 確定最小噪聲輸入阻抗，將最小噪聲輸入阻抗匹配到信號源阻抗，即輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。 確定放大器輸出阻抗，將放大器輸出阻抗匹配到負載阻抗，即輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。 低噪放性能仿真和優(yōu)化。 電路制作和性能調(diào)試。,功率放大器,射頻功率放大器的工作頻率很高（從幾十兆赫茲一直到幾百兆赫茲，甚至到幾吉赫茲），按工作頻帶分類，可以分為窄帶射頻功率放大器和寬帶射頻功率放大器。 窄帶射頻功率放大器的

10、頻帶相對較窄，一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負載回路，例如LC諧振回路。 寬帶射頻功率放大器不采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負載回路，而是以頻率響應很寬的傳輸線作為負載。這樣它可以在很寬的范圍內(nèi)變換工作頻率，而不必重新調(diào)諧。,功率放大器的應用,高保真音響系統(tǒng),電視、汽車音響等,功率放大器的應用,功率放大器的應用,發(fā)射無線電廣播電信號,信號頻率在幾十兆到幾百兆赫茲,功率放大器的應用,發(fā)射電視信號,功率放大器的應用,對講機、無繩電話,藍牙耳機,信號頻率在24G赫茲，屬于射頻范圍,功率放大器的應用,功率放大器的應用,無線通信基站,功率放大器的應用,電腦無線上網(wǎng),功率放大器的應用,功率放大器的主要技術(shù)指標,功率效率,飽和輸

11、出功率 當功率放大器的輸入功率加大到某一值后，再加大輸入功率并不會改變輸出功率的大小，該輸出功率稱為功率放大器的飽和輸出功率。,1dB壓縮點輸出功率P1dB 功率放大器增益壓縮1dB所對應的輸出功率稱為1dB壓縮點輸出功率，記作P1dB。,交調(diào)失真,三階交調(diào),P1dB點三階交調(diào)系數(shù)M3(1dB) P1dB和M3(1dB)是度量功率放大器非線性的兩個不同指標，它們之間有一定聯(lián)系。 假定功率放大器是一個無慣性非線性網(wǎng)絡(luò)，且在P1dB點的幅度非線性很小，在上述兩個假設(shè)條件下，兩個角頻率為1和2的等幅信號輸入時，P1dB點的三階交調(diào)系數(shù)近似為 由于理論分析中的假設(shè)，實際測量的誤差以及微波晶體管實際非線

12、性特性優(yōu)劣程度的不一致，在工程估算時，常取M3(1dB)為20dBc。這里還得注意，上式僅適用雙信號等幅情況，如果三信號等幅輸入時，上式就不適用了。,因此，任意輸入功率Pin時的三階交調(diào)系數(shù)M3可由下式估算 Pin基波信號（1或2）輸入功率； Pin(1dB)基波信號1dB增益壓縮點輸入功率。 注意上式中各變量都是以dB為運算單位。 圖中基波信號輸出功率特性延長線與三階交調(diào)特性延長線的交點稱為三階交調(diào)交截點。,任意輸入功率的三階交調(diào)系數(shù)M3 下圖是雙頻等幅信號輸入時基波信號輸出功率和三階交調(diào)功率對應基波信號輸入功率的變化特性。 由圖看出，基波信號輸出功率與輸入功率是1:1（dB數(shù)）變化關(guān)系，即

13、輸入功率增加1dB時，輸出信號也增加1dB。 三階交調(diào)產(chǎn)物與基波信號輸入功率是3:1（dB）變化關(guān)系，即基波信號輸入功率增加1dB，使三階交調(diào)系數(shù)M3惡化2dB。,三階交調(diào)交截點 圖中基波信號輸出功率特性延長線與三階交調(diào)特性延長線的交點稱為三階交調(diào)交截點，用符號IP3表示，對應的輸出功率是P1，它也反映了微波功率放大器的非線性 當輸出功率一定時，三階交調(diào)交截點輸出功率P1越大，微波功率放大器的線性就越好。由P1也可以估計三階交調(diào)系數(shù) 式中Pout是基波信號輸出功率所有變量都是以dB為運算單位，它只適用信號功率較小的情況。 三階交調(diào)交截點比1dB壓縮點 大10dB，它是放大器在A類工作 時的一個

14、假想點。,諧波失真,輸入/輸出駐波比 大功率管的輸入阻抗和輸出阻抗都很低，BJT的輸入阻抗實部只有幾個歐姆，與50系統(tǒng)失配得比較厲害。而場效應管的輸入阻抗較高，與50系統(tǒng)失配得也很大，失配嚴重時，會損壞功率管。 輸入、輸出駐波比變壞還會使系統(tǒng)的增益起伏和群遲延變壞，因此功率放大器的輸入、輸出駐波比應該滿足一定要求。在大容量數(shù)字通信系統(tǒng)中，功率放大器的輸入、輸出駐波比取1.2:1，而在一般系統(tǒng)中，功率放大器的輸入、輸出駐波比可以取到2:1。它也是設(shè)計微波功率放大器時必須考慮的一項技術(shù)指標。,功率放大器的工作狀態(tài),射頻功率放大器按照電流導通角的不同分類，可分為甲（A）、乙（B）、丙（C）三類。 A

15、類放大器電流的導通角=180，適用于小信號低功率放大。B類放大器電流的導通角=90；C類放大器電流的導通角90。 B類和C類都適用于大功率工作狀態(tài)。C類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高的。 射頻功率放大器大多工作于C類狀態(tài)，但C類放大器的電流波形失真太大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負載諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然接近于正弦波形，失真很小。,功率放大器的工作狀態(tài),射頻功率放大器除了以上幾種按電流導通角來分類以外，還有使功率器件工作于開關(guān)狀態(tài)的?。―）類放大器和戊（E）類放大器。 丁類放大器的效率高于丙類放大器，理論上可達100，但它的最高工作頻率受到開關(guān)轉(zhuǎn)

16、換瞬間所產(chǎn)生的器件功耗（集電極耗散功率或陽極耗散功率）的限制。 如果在電路上加以改進，使電子器件在通斷轉(zhuǎn)換瞬間的功耗盡量減小，則丁類放大器的工作頻率可以提高，即構(gòu)成所謂的戊類放大器。 這兩類放大器是晶體管射頻功率放大器的新發(fā)展。,A類功率放大器,A類射頻功率放大器電路屬于線性放大器，放大器電流的導通角=180，即在正弦信號一周期內(nèi)，放大器電路的功率管是處于全導通工作狀態(tài)，適合放大AM, SSB等非恒定包絡(luò)已調(diào)波。 為了輸出大的功率，一般采用如下措施：集電極采用扼流圈（或線圈）饋電；讓晶體管工作于可能的最大輸出功率狀態(tài)；在實際負載RL和最佳負載Ropt間采用一個阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，使放大器輸出最大功率

17、。,A類功率放大器,A類功率放大器,對于A類射頻功率放大器，為使功率管能有最大交流信號擺幅，從而獲得最大輸出功率，需要將直流工作點Q選擇在交流負載線的中點。需要注意的是激勵信號幅度不能過大，以避免輸出波形產(chǎn)生失真。 對于正弦信號輸入時，iC由直流分量ICQ和交流分量iL組成，即令iC=ICQ+iL，其中交流分量iL=ILmsint，而ILmICQ。設(shè)實際負載RL=最佳負載Ropt ，則A類功放的輸出功率Po為,A類功率放大器,電源供給功率Pdc為 因此，效率為 當ILm=ICQ時，效率為最高，=50。 A類射頻功率放大器在沒有輸入信號時，電源供給的全部功率都消耗在功率管上，即管耗達到最大，這是

18、人們所不希望的。,B類功率放大器,下圖電路中，偏置電壓VBB=Von，當正弦波信號輸入時，功率管在輸入波形的半個周期內(nèi)導通，而在另半個周期則是截止的。顯然靜態(tài)時，集電極電流iC為零，集射極間電壓為VCC。由于功率管在半個周期內(nèi)導通，電流導通角=/2，所以輸出是一個半波正弦信號、 B類射頻功率放大器電路采用雙管B類推挽工作，即用兩只B類工作的功率管各放大半個正弦波，然后在負載上合成一個完整的正弦波（圖中僅給出了VT1的波形）。,B類功率放大器,B類功率放大器,輸出功率Po為 電流可用開關(guān)函數(shù)表示， 其直流分量為 電源供給功率為 效率為 ,B類功率放大器,采用兩只互補功率MOSFET組成的B類推挽

19、射頻功率放大器如圖所示。圖中VT1為NDMOSFET（N溝道耗盡型MOSFET），VT2為PDMOSFET（P溝道耗盡型MOSFET），恒流源IQ和Rb是VT1和VT2的偏置電路。在輸入信號電壓超過功率管的門限電壓前，MOSFET不導通。,兩只互補功率MOSFET組成的 B類推挽射頻功率放大器,MOSFET vs. BJT,功率場效應晶體管（MOSFET，Metallic Oxide Semiconductor Field Effect transistor）與功率雙極晶體管（BJT）相比有很多優(yōu)點。 場效應晶體管的ID為負溫度系數(shù)，它隨溫度升高而減小，這使功率管溫度上升以后仍能保證安全工作。

20、 而雙極晶體管的IC為正溫度系數(shù)，如果不采用復雜的保護電路，則溫度上升后功率管將燒壞。,MOSFET vs. BJT,雙極晶體管是少數(shù)載流子工作器件，它是靠少數(shù)載流子在基區(qū)的聚集（擴散）和排除（漂移）來進行工作的。因為這些電荷的聚集和排除都需要時間和能量，所以，雙極晶體管的功耗隨工作頻率的增加而增加。 場效應晶體管是多數(shù)載流子工作器件，是靠柵區(qū)電場控制多數(shù)載流子運動來進行工作的。場效應晶體管柵區(qū)不存儲電荷，在導通、截止之間的轉(zhuǎn)換極為迅速，所以場效應晶體管功耗小、工作頻率高。 另外，由于場效應晶體管的輸入阻抗高，所以激勵功率小，功率增益高，而且場效應晶體管易于集成，所以在集成功率放大器集成電路芯片內(nèi)的輸出級常常采用這種互補場效應晶體管B類推