第7章-放大器的稳定性、增益和噪声

第7章放大器的稳定性、增益和噪声在放大器的设计中，需要考虑的因素很多，其中最重要的就是稳定性、增益和噪声。本章将对上述问题的特性作系统讨论，以便下一章集中讨论各类放大器的设计。放大器的稳定性7.1放大器的增益7.2输入、输出电压驻波比7.3放大器的噪声7.47.1放大器的稳定性设计射频放大器时，必须考虑电路的稳定性，这一点与低频电路的设计方法完全不同。由于反射波的存在，射频放大器在某些工作频率或终端条件下有产生振荡的倾向，不再发挥放大器的作用，因此必须分析射频放大器的稳定性。稳定性是指放大器抑制环境的变化（如信号频率、温度、源和负载等变化时），维持正常工作特性的能力。7.1.1稳定准则放大器的二端口网络如图71所示，在它的输入端接有一个内阻为ZS的源VS，在它的输出端接有负载ZL。图7.1接有源和负载的放大器二端口网络图中传输线上有反射波传输，源的反射系数为ΓS;负载的反射系数为ΓL；二端口网络输入端的反射系数为Γin；二端口网络输出端的反射系数为Γou。如果反射系数的模大于1，传输线上反射波的振幅将比入射波的振幅大，这将导致放大器不稳定。因此，放大器稳定意味着反射系数的模小于1，即7.1.2稳定性判别的图解法ΓL、ΓS和S参量对放大器的稳定性有影响，但由于S参量对于特定条件（频率、温度、外加信号的大小等）是固定值，所以对稳定性有影响的就只有ΓL和ΓS。下面在ΓL和ΓS的复平面上讨论稳定区域，用图解的方法给出结论。1.输出稳定判别圆ΓL复平面上输出稳定判别圆及史密斯圆图如图7.2所示，输出稳定判别圆将ΓL复平面划分为圆内和圆外两部分，从图中可见输出稳定判别圆决定了史密斯圆图内ΓL的稳定区域。下面讨论ΓL的稳定区域。（1）若(|S11|1，则史密斯圆图中心点（ΓL=0点）在稳定区域内。分2种情况。①若输出稳定判别圆包含史密斯圆图中心点（如图7.2（a）所示），ΓL的稳定区域在输出稳定判别圆内。ΓL的稳定区域是史密斯圆图单位圆内输出稳定判别圆内的区域，是图7.2（a）中的阴影区。②若输出稳定判别圆不包含史密斯圆图中心点（如图7.2（b）所示），ΓL的稳定区域在输出稳定判别圆外。ΓL的稳定区域是史密斯圆图单位圆内输出稳定判别圆外的区域，是图7.2（b）中的阴影区。（2）若(|S11)|1，则史密斯圆图中心点（ΓL=0点）在稳定区域外。分2种情况。①若输出稳定判别圆包含史密斯圆图中心点（如图7.2（c）所示），ΓL的稳定区域在输出稳定判别圆外。ΓL的稳定区域是史密斯圆图单位圆内输出稳定判别圆外的区域，是图7.2（c）中的阴影区。②若输出稳定判别圆不包含史密斯圆图中心点（如图7.2（d）所示），ΓL的稳定区域在输出稳定判别圆内。ΓL的稳定区域是史密斯圆图单位圆内输出稳定判别圆内的区域，是图7.2（d）中的阴影区。2.输入稳定判别圆（1）若|S22|1，则史密斯圆图中心点在稳定区域内。分两种情况。①若输入稳定判别圆包含史密斯圆图中心点（如图7.3（a）所示），ΓS的稳定区域是史密斯圆图单位圆内输入稳定判别圆内的区域，是图7.3（a）中的阴影区。②若输入稳定判别圆不包含史密斯圆图中心点（如图7.3（b）所示），ΓS的稳定区域是史密斯圆图单位圆内输入稳定判别圆外的区域，是图7.3（b）中的阴影区。（2）若(|S22|1，则史密斯圆图中心点在稳定区域外。分两种情况。①若输入稳定判别圆包含史密斯圆图中心点（如图7.3（c）所示），ΓS的稳定区域是史密斯圆图单位圆内输入稳定判别圆外的区域，是图7.3（c）中的阴影区。②若输入稳定判别圆不包含史密斯圆图中心点（如图7.3（d）所示），ΓS的稳定区域是史密斯圆图单位圆内输入稳定判别圆内的区域，是图7.3（d）中的阴影区。3.绝对稳定绝对稳定是稳定的一个特例，是指在频率等特定的条件下，放大器在ΓL和ΓS的整个史密斯圆图内都处于稳定状态。也就是说，ΓL和ΓS选择任何|ΓL|1和|ΓS|1的值，放大器都绝对稳定。若|S11|1且|S22|1，则满足下列条件之一的放大器是绝对稳定的。（1）输出稳定判别圆包含ΓL的史密斯圆图，输入稳定判别圆包含ΓS的史密斯圆图，如图7.4（a）所示。（2）输出稳定判别圆完全位于ΓL的史密斯圆图外，输入稳定判别圆完全位于ΓS的史密斯圆图外，如图7.4（b）所示。图7.4绝对稳定时稳定判别圆与史密斯圆图的相对位置7.1.3绝对稳定判别的解析法图7.5例7.1用图图7.6例7.2用图7.1.4放大器稳定措施当放大器不是绝对稳定，则有时信源和负载选择的ΓS和ΓL会造成|Γin|1或|Γout|1，使放大器处于非稳定状态，此时应当采取措施使放大器进入稳定状态。|Γin|1和|Γout|1用输入阻抗表达，为稳定放大器的措施就是在其不稳定的端口增加一个串联或并联电阻，以保证总输入阻抗为正。图7.7示出了输入端口的稳定电路，增加了串联电阻R′in或并联电导G′in。图7.7串联或并联电阻稳定输入端口同样，在输出端口增加一个串联或并联的电阻，如图7.8所示，若保证总输出阻抗为正，也可以保证输出端口稳定。图7.8串联或并联电阻稳定输出端口图7.9例7.3用图由于晶体管输入端加电阻会增加输入损耗，进而转化为输出端较大的噪声指数，因此一般不在输入端加电阻，而采用在输出端加电阻来达到晶体管稳定的目的。7.2放大器的增益对输入信号进行放大是放大器最重要的任务，因此在放大器的设计中，增益的概念很重要。7.2.1功率增益的定义图7.10单级放大器的一般框图放大器的功率增益有多种定义，它们取决于放大器的运行机制。现分别对与增益相关的不同功率给予定义。图7.11单级放大器及信号流图1.转换功率增益2.资用功率增益3.功率增益功率增益为4.单向化功率增益7.2.2最大功率增益由于晶体管的增益G0是固定的，放大器的总增益受输入匹配网络有效增益GS和输出匹配网络有效增益GL的控制。GS和GL的值可能大于1。当GS和GL的值达到最大化时，放大器可以有最大增益。当输入匹配网络与输出匹配网络能保证晶体管的输入和输出端分别实现共轭匹配时，放大器可以实现最大增益。在共轭匹配的状态下，晶体管既能从源获得最大输入功率，又能输出给负载最大功率。基于共轭匹配的概念，当7.2.3晶体管单向情况当S12=0时，晶体管是单向的。实际应用中，有时可以忽略晶体管自身反馈的影响，视S12≈0。当晶体管近似为单向时，可以带来设计上的诸多便利，此时Γin和Γout彼此独立，这意味着输入匹配网络与输出匹配网络无关，可以各自独立设计。下面在晶体管单向的前提下，讨论放大器的增益，同时给出单向化设计带来的误差。1.最大增益2.固定增益设计和等增益圆3.单向化设计误差因子图7.12例7.6用图7.2.4晶体管双向情况当S12≠0且采用单向化设计会产生较大误差时，就不能忽略晶体管反馈的影响，这时必须考虑晶体管的双向情况。由于所以双向晶体管的Γin和Γout不再彼此独立，这使双向晶体管比单向晶体管的情况复杂。下面在晶体管双向的前提下，讨论放大器的增益。1.最大增益当晶体管双向时，同时满足式（7.47）和（7.48）可以得到放大器的最大增益。式（7.47）和（7.48）是输入与输出同时达到共轭匹配2.固定增益、等功率增益和等资用功率增益圆固定增益是指放大器的增益达到某一期望的值，这一期望的值小于放大器的最大增益。对于双向晶体管来说，固定增益放大器的设计将变得比较复杂。可以采用固定功率增益法设计放大器，此时预期的放大器功率增益为GP，这一期望的值小于GPmax。也可以采用固定资用功率增益法设计放大器，此时预期的放大器资用功率增益为GA，这一期望的值小于GAmax。（1）固定功率增益法（2）固定资用功率增益法在很多情况下，放大器的特性用输入和输出电压驻波比描述，而且电压驻波比必须保持在特定指标之下。信源与晶体管之间及晶体管与负载之间的失配程度对驻波比有影响，下面讨论失配因子及电压驻波比。7.3输入、输出电压驻波比7.3.1失配因子源失配因子定义为负载失配因子为7.3.2输入、输出驻波分析放大器如图7.13所示，输入、输出电压驻波比为图7.13放大器输入及输出端口的失配7.4放大器的噪声设计有源网络时，需要考虑噪声问题。对放大器来说，噪声的存在对整个设计有重要影响，在低噪声的前提下对信号进行放大是对放大器的基本要求。前面讨论过放大器的稳定性和增益，但放大器的低噪声与放大器的稳定性和增益相冲突，例如最小噪声与最大增益就不能同时达到，因此需要讨论噪声参数，以便得到最佳设计。下面，首先介绍噪声的表示方法和级联网络的噪声特性；然后在史密斯圆图上画出等噪声系数圆。7.4.1等效噪声温度和噪声系数一个电阻可能产生的最大资用热噪声功率为PN=kTB（7.99）图7.14有噪声放大器的等效模型7.4.2级连网络的等效噪声温度和噪声系数图7.152级放大器的级连7.4.3噪声系数圆图7.17等噪声系数圆