通信电路分析

1§1.5小信号微波晶体管放大器§1.5.1有源二口网络的S参数原因：物理含义确切，易测量a2b1b2a111'22'[S]011112|aabS012212|aabS021121|aabS022221|aabS测量：开路测阻抗参数Z短路测导纳参数Y匹配测散射参数S021120122102222011111212IIIIIUZIUZIUZIUZ012120212102222011112112UUUUUIYUIYUIYUIY2FET的S参数RgCgsRgsCdgCdcgmvgsGdsCdsRdRsGDS有封装无封装封装外壳很重要：降低性能恶化，寄生参数小，散热、尺寸3•由于：代入负载反射系数：•解得§1.5.2微波晶体管放大器增益一、输入输出阻抗GinGoutG1GLAC输入匹配电路输出匹配电路ZsoZL0FETa1a2b2b1GsG2ZinZout[S]inininZZGG110outoutoutZZGG110LLinSSSSabGGG22211211111SSoutSSSSabGGG11211222221•同法得22212122121111aSaSbaSaSbLLbSaSbbSaSbGG22212122121111S12S21有源器件二端口网络是非互易网络；对不同的工作频率和直流工作点，晶体管的S参数不同。22baLG自学p.184二、功率增益转换功率增益GTTransducerGain最大功率增益MAGMaximumAvailableGain最大稳定功率增益MSGMaximumStableGain22112221122221)1)(1()1)(1(LsLsLsaLTSSSSSPPGGGGGGG•转换增益定义：负载吸收的功率PL与信源资用功率Pa之比Pa是指负载与信源共轭匹配时信源能给出的最大信号功率自学pp.19~21GinGoutG1GLAC输入匹配电路输出匹配电路ZsoZL0FETa1a2b2b1GsG2ZinZout[S]5GT的基本概念:1.物理意义：插入放大器后负载实际得到的功率与无放大器时可能得到的最大功率比2.和S参数、输入、输出阻抗(GS、GL)有关3.双向共轭匹配：GS=Gin*，GL=Gout*--MAG(共轭匹配是实部相等，虚部抵消，无反射，传输功率最大)4.输入、输出都无反射匹配：GS=GL=0GT=|S21|2MAG6由于输入口共轭匹配，即GS=Gin*，GT只随GL而变化，且GT是GL的二次方程，等增益即GT为常数时的GL在GL复平面上是圆。22112221122221)1)(1()1)(1(LsLsLsaLTSSSSSPPGGGGGGG圆心位置：圆半径：)(12222*2SgCgaaa)(12122222221122112SggSSgSSKraaaa2112222221121SSSSK21122211SSSS*11222SSC22aaLrG等增益圆的半径和圆心是：221SGgTa7等增益圆在史密斯圆中呈现等增益圆MAG-2dB-4dB-8dB22112221122221)1)(1()1)(1(LsLsLsTSSSSSGGGGGGGGS=Gin*、GL=Gout*时，是共轭匹配，增益最高，GT=MAGGSGin*，GLGout*时，失配，增益下降8§1.5.3微波放大器稳定性111GabinGinGLAC输入匹配电路输出匹配电路R0R0FETS12S11微波管有内部反馈S12是反馈，S12、S21有相位移判断不稳定依据：输入或输出端是否等效有负阻一、稳定性判别圆22022000)()(inininininininXZRXZRZZZZGLLinSSSSGGG2221121119稳定性判别圆的建立()inGRe()inGIm()LGIm()LGRe复平面inG复平面LG不稳定不稳定稳定()LGIm()LGRe复平面LG11S稳定S2圆S2圆1Gin1GL1GL输入端稳定性判别圆211222112211222112111111SSSSSSSSSSabLLLLinGGGGG--分式线性变换无源负载：|GL|110稳定性判别圆位置2222*22SCR222221122SSSP*22211SSC21122211SSSS•输入端稳定性判别圆圆心位置向量判别圆的半径•输出端稳定性判别圆圆心位置向量判别圆的半径式中：2211*11SCR221121121SSSP*22111SSC|Gin|=1自学p.2211()LGIm()LGRe()LGIm()LGReS2圆()LGIm()LGReS2圆S2圆S2圆S2圆S2圆111111()LGRe()LGIm()LGIm()LGIm()LGRe()LGRe(a)(b)(c)(d)(e)(f)K1K1K1K1K1K1记住(a)(b)(e)阴影范围：不稳定区12多频率点稳定性判别圆f3f4f1f2阴影范围：频带的不稳定区判别圆判别圆判别圆13小结1.潜在不稳定原因：管内反馈S122.用判别圆确定造成不稳定的GS、GL的范围3.判别圆大小、位置取决于自身S参数4.稳定情况有六种可能性(书p.24)，需记住(a)绝对稳定(b),(e)潜在不稳定，设计放大器时选GS、GL稳定区14二、绝对稳定的充分必要条件•绝对稳定的必要条件依据：化简得定义稳定性系数•绝对稳定的充分必要条件12121122222211SSSSK2112222211221111SSSSSS2222*22SCR222221122SSSP122PR12121122222211SSSS2112222221121SSSSKR2P2判别圆122?PR122RP自学pp.23~25R2P2判别圆122?RP15三、稳定性系数的性质1.K1是潜在不稳定，有自激振荡的可能性2.信源反射波小于信源入射波时不振荡：ACSa1b1a10ZZ0SGinG110aa1110abainSSGGG11aainSGG1GGinS•由图可知得到不自激振荡条件：163.信源阻抗对稳定性有影响ACSa1b1a10ZZ0SGinG1GGinS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：174.网络两端口串联或并联电抗时，总网络K不变SKKajxjbjxjbK=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，是常用方法SKKajxSKKajxjXZsL18§1.6放大器噪声参数§1.6.1有源网络噪声参数一般表示式噪声来源：BJT热噪声散粒噪声（发射极）（收集极）(分配）闪烁(1/f)噪声最小噪声系数FET沟道热噪声栅感应噪声谷际散射与高场扩散噪声闪烁噪声最小噪声系数)/211(1minhhNF204.0TbcffrIhTffCPRNF)1(212minfkTrebnb'24fqIiene22fqIicnc22)(22fFfqIicnPgfkTimnd024()RgCfkTimgsng0222/419噪声参数估算BkTGUYiBkTGNFsnsns442BkTGiuYuYisnnsnsn4)Re(21*222SSSjBGY根据定义B=f网络输出端信源噪声电流均方值:网络输出端总噪声电流均方值:BkTGiSns42022020nSnnSnuYiiiBkTRunn42等效噪声电压源用等效噪声电阻Rn表示:2020nsniiNF噪声功率仅由信源产生的输出端输出端总噪声功率信号源Gs有噪声网络无噪声网络YsYsZZZYs(a)(b)(c)2ni2ni2nu2nu2nsi20求最小值：令,求得算得—最小噪声系数—最佳的信源内导纳换算的非最佳源导纳时的噪声系数0SBNF0SGNFminNFminNF)(minSYfNFoptoptoptjBGY2minoptSSnYYGRNFNF220min1soptSNNFGGG2014optoptnGRNG•—最小噪声系数•—等效噪声电阻•—最佳的信源反射系数minNFnRoptjoptopteGGNF性质:Ys=Yopt时噪声最小Ys与Yopt偏离时，噪声与Rn有关自学pp.26~2721噪声参数(NFmin、|Gopt|、opt、Rn)的测量调配器1FETA调配器2窄带噪声源噪声系数测试仪1.调整可调匹配器1和可调匹配器2，先使NF达到最小，再使增益最大，即输出达到匹配，得NFmin2.调匹配器1不动，关噪声源，去掉被测微波管，用网络分析仪测反射系数得optjoptopteGG调配器1A网络分析仪窄带噪声源optSGG3.调偏，使NF略增加，测出GS和NF，用下式算出Rn22min114soptSoptoptnGRNFNFGGGG4.改变频率，重复以上各步。001RYGopt22NoptFG1)1(1112optFNNNrG§1.6.2等噪声系数圆和等增益圆220min1SoptSNNFNFGGG根据移项NNNFNFSoptSGGG220min1/)(自学pp.28~290minNFFN等噪声系数圆心位置等噪声系数圆半径22FFSrG23MAGNFminGoptGa-1dB-3dB等噪声系数圆等增益圆2dB1dB1.5dB-2dBMAG—最大增益（双向共轭匹配）特点：等噪声系数圆的圆心都在Gopt到原点的连线上。阻抗圆图上的等噪声系数圆和等增益圆阻抗圆图上的NFmin值对应的是信源阻抗Zopt值，要求Yopt值需将幅角加最佳噪声要求的GS与最大增益要求的GS并不一致。如果要NF最佳，增益要下降，在NFmin处的增益用Ga表示(相关增益)24•双向共轭匹配时，最大增益•转换增益§1.7微波晶体管放大器§1.7.1放大器的增益GinGoutGLAC输入匹配电路输出匹配电路ZsoZL0FETa1a2b2b1GsZs1Zs2S11ampGs0GL0S22amp*11211222*)1(SSoutLSSSSGGGG*22211211*)1(LLinSSSSSGGGG22112221122221)1)(1()1)(1(LsLsLsaLTSSSSSPPGGGGGGG25有潜在不稳定情况的等增益圆-2dB-4dB-8dB稳定判别圆Gs平面圆增益公式的几种表示式*outLGG*inSGG当时，)1(21221maxKKSSGT2112222221121SSSSK最大功率增益MAGK=1的临界情况，得最大稳定增益：1221SSMSG122110)(SSLogdBMSG26放大器的输出与输入驻波比驻波比GinGoutGLAC输入匹配电路输出匹配电路ZsoZL0FETGSS11ampGS0GL0S22ampSampampampSSSWR1111111ampampSSSWR2222112Gff1f2MAGff1f2SWR增益与驻波比随频率的变化：27放大器天线反射损耗与隔离器反射损耗定义：•反射损耗不良时的后果：损失信号能量数字通信误码率增大群时延特性变坏电视图像重影系统不稳定•改善反射损耗的措施：铁氧体隔离器正向衰减反向隔离dB2.0~15.0dB25~15aampLogSLogdBG2020)(111aampLogSLogdBG2020)(222