大学物理大学-射频电路第17讲晶体管放大器

ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology小信号放大器设计功率放大器设计第17讲内容ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology17.1小信号放大器设计小信号晶体管放大器一般工作于晶体管的线性区，其散射参数与频率无关。小信号晶体管放大器的设计过程：给定技术指标：频率范围、增益、噪声系数等。选择合适的晶体管。根据晶体管的S参数，检验器件的稳定性。如果是绝对稳定，直接设计输入/输出匹配网络，如果是有条件稳定，设计输入/输出匹配网络时要避开不稳定区域。必要时，在圆图上画出恒定增益圆和恒定噪声圆，选择折衷方案。根据晶体管特性要求设计偏置电路。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology小信号晶体管放大器设计的实质是匹配网络的设计ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology当满足共轭匹配条件，时，放大器的转换功率增益最大。这时的源反射系数和负载反射系数可表示为设计最大功率增益放大器的关键步骤是设计输入、输出匹配网络以实现与源阻抗和负载阻抗的匹配。22111122211122*11122421MSBBCCBSSCSS22222222222211*22211421MLBBCCBSSCSS*sin*Lout最大功率增益放大器设计ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology【例17-1】有合适偏置的GaAsFET用50欧的网络分析仪在6GHz测得：试用这个晶体管设计一最大功率增益的放大器。解：首先检验晶体管的稳定性：可见该晶体管绝对稳定。111221220.614167.40.046652.18732.40.71683SSSSoooo1122122122211221221||0.341911||||||1.129612||SSSSSSKSSResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology计算共轭匹配时分别从晶体管向源和负载看去的源和负载应满足的反射系数可以证明，因为，意味着，所以开根号前选“－”号。选择一种阻抗变换器电路，实现阻抗变换。这里采用单支节阻抗变换器。221110140.8673169.762MSBBCC222220240.901184.482MLBBCC11200BB，ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyA和C分别对应于点，相应的归一化导纳点分别为B点和D点。,MSMLMSMLoutin导纳圆图ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology在输入端，为了把归一化源导纳为1的点变换至B点，先并联一归一化电纳j2.7，变换到E点，这一电纳可用0.1942的开路线实现。然后，串联一传输线段，把E点移至B点（从源往负载方向旋转），传输线段的电长度为0.265-0.200=0.065。同理，在输出端，为了将归一化负载导纳为1的点变换至D点，先并联一归一化电纳-j3.4，变换到F点，这一电纳可用0.297的开路线实现。然后，串联一传输线段，把F点移至D点（从源往负载方向旋转），其电长度为0.093。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology利用软件ADS，可以方便地设计与计算。首先计算稳定性系数k=1.131,该晶体管绝对稳定。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology然后验证设计结果ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology红线:输入反射系数19.159dB@6GHz蓝线:功率增益14.320@6GHz紫线:最大增益14.583ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology指定的功率增益一般比最大功率增益小，增益的减小用以其它技术指标（例如噪声或带宽）的提高。【例17-2】设计一指定功率增益的单级放大器。已知场效应管的S参数如下表所示。要求用这个管子设计在4GHz具有11dB增益的放大器，并计算3-5GHz的输入回波损耗和增益曲线。指定功率增益放大器设计ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology（2）计算最大可能增益满足同时共轭匹配时，最大转换功率增益解：（1）检验稳定条件|△|1（因为|S11|1和|S22|1）和K=∞，所以该晶体管是无条件稳定。3.591.947.9613.49TUmGdBmaxmax2211222021113.59,1.94117.96SLGdBGdBSSGSdB所以可见，最大单向功率增益比设计要求高2.49dB，这个管子完全可以用于这个设计。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology（3）画出恒定增益圆。求得恒定增益圆的圆心及半径如下表所示。因为G0≈8dB，余下的3dB增益由GS和GL提供。选定GS=2dB和GL=1dB。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology恒定增益圆ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology（4）计算输入与输出匹配网络在GS=2dB的增益圆上选定A点，并由此设计输入匹配网络。在GL=1dB的恒定增益圆上选定C点，并由此设计输出匹配网络。A、C点对应的归一化导纳点分别为B点和D点。采用单支节匹配。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology在输入端，为了把（圆图原点）变换至对应的导纳B点，过A、B点做等Γ圆，与g=1的圆相交于P点，该点导纳为1+j0.63。因此，首先在源端并联一电纳j0.63，该电纳由0.09λ长度的开路线实现，则点变换到P点，再由P点沿Γ圆顺时针转至B点，所经过的电长度为0.183λ，此即为串联传输线段的长度。1sYS1SY在输出端，用相同的方法对并联一容性电纳-j0.35，该电纳由0.431λ长度的开路线实现，在导纳圆图对应点M的标度为-80o，该点沿Γ圆转至D点，所经过的电长度为0.044λ，此即为串联传输线的长度。10.35Yj1LYResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology当S12=0时，（5）计算输入端口的回波损耗11inS当f=3GHz时，0.8,20lg1.94inindB当f=4GHz时，当f=5GHz时，0.75,20lg2.5inindB0.71,20lg2.97inindB对f0=4GHz时，G=11dB，但对其它频率，必须按下式计算222212211221111SLTUSLGSSSResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology对输入和输出匹配网络在3GHz和5GHz时的传输线长度应修正为当f=3GHz时，GTU=5.4117=7.33dB当f=5GHz时，GTU=4.9688=6.96dBResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology回波损耗增益ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyADS仿真结果:ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology红线:输入反射系数蓝线:功率增益紫线:最大增益ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology功率增益1dB增益压缩点LinPGP17.2功率放大器设计功率放大器的主要技术指标ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology当输入的信号电平不大时，输出与输入功率呈线性关系，但当输入电平进入饱和区时，增益开始滑落或称为压缩。当输入功率达到Pin,1dB之后，增益减小并最后达到饱和。放大器的增益偏离线性而比线性增益低1dB的点称为1dB增益压缩点。其对应输出功率为P1dB，常用以表征放大器的功率处理能力，即1,11()()()dBindBdBPdBmPdBmGdB110,11dBdBindBPGGdBP或式中，G0为小信号的线性功率增益（dB）。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology交调失真是由两个不同频率的末调制的信号加于放大器的输入端而在放大器输出端所产生的新的频率分量的现象。交调失真IMD的分贝数动态范围dR221()()()(2)()outoutIMDdBPfdBmPffdBm1,()RdBomdsdPPdB交调失真（IMD）与三阶交叉点（IP3）三阶交叉点IP3：Pout(f2)和Pout(2f2-f1)两直线的延长线的交点。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyIP3ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology1111outindcoutddcPAEPPPPPGG输出信号功率输入信号功率直流功率PAE(Power-addedefficiency)功率附加效率d