微波放大器演示幻灯片.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,射频电路设计,微波放大器,1,微波放大器,主要参数,放大器的功率,放大器的增益,放大器的稳定性判别,根据增益设计放大器,噪声系数圆,其它,2,FET的,主要参量,1）截止频率f,T,：电流增益为1时的频率,2）最小,噪声系数,3）1dB压缩点,4）最大振荡频率（或最大可用增益0dB频率,）,6）单向增益,3,微波放大器的主要参数,增益及增益平坦度（以,dB,表示）,工作频率及带宽（单位：,Hz,）,输出功率（单位：,dBm,）,直流输入功率（单位：,V,和,A,）,输入、输出反射系数（,VSWR,）,噪声系数（以,dB,表示）,其它参数：交调失真（,IMD,）、谐波、反馈、热反应等，都会影响放大器的性能。,4,微波放大器组成,5,放大器的功率关系,放大器的入射功率,放大器输入端口的实际输入功率,资用功率P,A,（放大器的输入阻抗与信号源的内阻符合共轭匹配条件）,负载功率,6,放大器的功率增益,1、转换,功率增益,G,T,2、资用功率增益G,A,3、功率增益G,p,7,转换,功率增益G,T,1）,2）,单向化增益,（1）输入共轭匹配时,（2）负载共轭匹配时,8,资用功率增益G,A,9,功率增益G,p,10,例：,射频放大器的功率关系,射频放大器的,S,参量,与放大器输入端连接的电压源参数,源内阻,放大器的输出端驱动一个天线，天线阻抗,测量S参量,时采用的传输线特性阻抗,求下列参数：,（a）转换功率增益G,T,，单向化功率增益G,TU,，资用功率增益G,A,，功率增益G,p,。,（b）负载吸收的功率P,L,，资用功率P,A,以及放大器入射功率P,inc,。,解：,11,例：,射频放大器的功率关系（续）,12,稳定性判别,产生自激,在,给定网络参数下，,L,、,S,在什么范围内才能稳定工作。,（1）绝对稳定；（2）条件稳定或,潜在不稳定,稳定,分界,不稳定,13,稳定性判别（续1）,其中,14,输出稳定性判定圆,考察输出稳定性判定圆：,原点是稳定区的一部分,原点成为非稳定区的一部分。,为临界圆，圆内为一个区，圆外为另一个区，,并且一个是稳定的，另一个是不稳定的。,为单位圆，稳定区在单位圆内。,15,输出稳定性判定圆（续1）,圆内稳定，,圆外稳定，,图,1、条件,稳定,圆内稳定，,圆内稳定，,图2、条件,稳定,16,输出稳定性判定圆（续2）,圆内稳定，,圆内稳定，,图,3、条件,稳定,圆内稳定，,圆外稳定，,图4、条件,稳定,17,输出稳定性判定圆（续3）,圆内稳定，,圆外稳定，,图,5、绝对,稳定,圆内稳定，,圆内稳定，,图6、绝对,稳定,18,绝对稳定,稳定性判定圆必须完全落在单位圆外或完全包围了单位圆。,考虑输入稳定判别圆的状况,满足单向化条件时，,基本是稳定的,绝对稳定条件,综合两种状况，只要满足下列两式，放大器绝对稳定：,19,放大器的稳定性措施,如果在工作频段内放大管处于非稳定状态，则应当采取适当措施,使晶体管进入稳定状态。采用串联或并联电阻的方式。,用增加电阻的方法实现晶体管稳定的代价包括：阻抗匹配状态可,能被破坏，这将会产生功率传输损失；由于电阻产生的附加热噪声，,晶体管的噪声系数通常会恶化。,20,小信号微波晶体管放大器设计步骤,选择适当的晶体管和电路形式,测量晶体管的,S,参数,判断稳定性,设计输入和输出匹配网络,单向化设计,等增益设计,最大增益法,非单向化双共轭匹配设计,输入端良好匹配,功率增益圆,输出端良好匹配,资用功率增益圆,噪声系数圆,等驻波比圆,21,单向化设计法,单向化误差因子,定义单向化,系数u为,入、出均共轭匹配时的,u也称为,单向化优质比，衡量端口匹配与网络参数的关系。,误差,小于2dB，,一般以此值作为单向化设计的依据。,22,单向化设计法,最大增益设计,单向化增益,（1）输入共轭匹配,（2）负载共轭匹配,23,单向化设计法,等增益设计,当给定增益时，求反射系数，其解是一族圆：,圆心座标,圆半径,对增益进行归一化,24,单向化设计法,等增益设计,（续1）,根据等增益圆方程，可以得到下列结论：,2）所有等增益圆的圆心都落在原点到S,ii,*的连线上。,增益值越小，则圆心越靠近原点，同时半径越大。,d,gi,和r,gi,具有,相同的数值,(即0dB)圆总是,与,i,平面的原点相切。,3）,1）最大增益点,25,例,1,：,求单向化设计近似条件下的输入网络增益圆,一场效应晶体管的工作频率,，在正常工作状态下,假设晶体管处于绝对,稳定状态，符合应用单向化近似的条件。求输入,网络最大功率增益G,Smax,并画出不同G,S,所对应的等增益圆。,解：首先求出输入网络最大,增益G,Smax,：,根据公式计算输入网络增益圆的圆心坐标及半径等参数,G,S,g,S,d,gS,r,gS,2.6(dB),0.93,0.14,2(dB),0.81,0.25,1(dB),0.64,0.37,0(dB),0.51,0.47,-1(dB),0.41,0.56,26,例2,：,设计一个工作频率为5.7GHz，增益为18dB的MESFET放大器。,已知MESFET在5.7GHZ频率点的S参量,为：,（a）放大器是否为无条件稳定？,（b）假设单向化条件成立（S,12,=0），求最佳反射系数条件下的最大功率增益。,（c）根据等增益圆的概念，调整输出反射系数，实现放大器的增益指标（18dB）。,解：,（a）,晶体管处于绝对稳定状态。,（b）计算,最佳反射系数条件下的最大功率增益,最大单向化转换功率增益为：,（c）,27,例,3,：,单向化设计的可行性验证,针对上例讨论的放大器，评估采用单向化近似设计产生的误差。,解：将各,S,参量代入，则单向化设计误差因子为：,最大误差：,此结果表明，转换增益的理论值与单向化近似的偏差高,达18。,实际引入得误差不超过,1,。,28,非单向化双共轭匹配设计法,双共轭匹配设计需要处理输入、输出端口反射系数的完整方程,需要同时的共轭匹配。,如果晶体管具有潜在的不稳定性，则复数共轭就不能同时成立。,在绝对稳定的前提下，可,导出,MS,、,ML,解。,29,非单向化双共轭匹配设计法原则,不能作单向化处理，但满足绝对稳定条件。,窄带放大器：,在中心频率设计成双共轭匹配。,较宽大放大器：,在频带高端设计成双共轭匹配；,在低频端由于失配产生一定反射，,降低增益，补偿晶体管的 随,频率升高而下降的特性，从而获得,宽带特性。,30,功率增益和资用功率增益圆,对于设计有预定增益要求的放大器，考虑了输入、输出端口互耦效应的,双共轭设计法有两种设计方法可供选择：,第一个方案：采用,功率增益G,p,。,假设源与输入反射系数处于共轭匹配状态,（），并由此求出负载反射系数,L,。这种方法导出的,输入电压驻波比,VSWR,in,1。,第二个方案：利用,资用功率增益G,A,。假设放大器的输出端口处于良好匹配,状态（），然后通过调整负载以达到预定的增益。,如果此方案导出的输出电压驻波比恰好为1（VSWR,out,1），,则这种,方案就是最佳设计方案。,31,功率增益圆,g,0,为,比例系数,改写为负载反射系数,L,的,圆方程形式,圆心坐标,圆半径,放大器输入端需要良好匹配情况下,32,例,：,利用等增益圆设计放大器,双极晶体管,设计一个放大器，要求,G,Tmax,=8.42dB，功率增益为8dB，,放大器,的输入端口有良好匹配。,解：,放大器处于绝对稳定状态。,根据输入端口良好匹配的设计要求，设计过程中需要利用等功率增益圆。,在,L,平面,上求得等功率增益圆的圆心和半径,令,L,落在等功率增益圆与等电阻圆r=1的交点,上,输入匹配网络的复杂程度与,L,的选择恰当与否有直接关系。,33,功率增益圆（续）,在许多实际应用中，,S,必须符合特定的约束条件（例如，符合预定的,噪声特性）。这些附加的条件限制了我们选择,S,的自由度，其结果又反过,来限制了,L,的选择范围。（,L,落在适当的增益圆内，,S,符合预定的噪声,要求）：,1、试探法（,先任选,L,值，然后考察相应的,S,，,简单、枯燥、费时,）,2、,将,L,平面上的等增益圆 映射为,S,平面上的圆。,34,资用功率增益圆,将等资用功率增益圆映射,到,L,平面,上,放大器输出端需要良好匹配情况下,35,噪声系数圆,对晶体管噪声来源于：集电极分流噪声，发射极散粒噪声，基极热噪声,对场效应管噪声来源于：漏极等效噪声电流源，栅极感应噪声电流源,级联网络的噪声,理想情况下为,1,表示输入信噪比经过放大器后恶化的程度,噪声系数的定义,（1）,（2）,36,噪声系数圆（续1）,F,min,：最小（最佳）噪声系数，与偏置条件和工作频率有关。如果器件,没有噪声，则F,min,1。,R,n,：网络噪声电压大小的等效噪声电阻，或称器件的等效噪声电阻。,R,n,1/G,n,。,Y,opt,：G,opt,jB,opt,1/Z,opt,最佳源导纳，有时不给出源阻抗或导纳，,而列出最佳反射系数,opt,。,37,噪声系数圆（续2）,F,min,、N,0,为网络参数决定的量，可以测得。,sopt,也可以测得。,等噪声系数圆,1)当F,k,F,min,时，可得最小噪声系数，此时圆心坐标d,Fk,=,opt,而且半径r,Fk,=0。,2）所有等噪声系数圆得圆心都落在原点与,opt,的连线上。噪声系数越大，则,圆心d,Fk,距离原点越近而且圆半径r,Fk,越大。,38,等驻波比圆,假定匹配网络是无耗的，则有源器件输入端口得到的功率应与无,匹配网络时的情况相同：,39,等驻波比圆（续,1,）,变换为,以,S,为自变量的圆方程，其圆心在d,VIMN,，半径为r,VIMN,电压源连接在输出端口，阻抗Z,L,被视为源阻抗，Z,S,视为负载阻抗，,采用完全相同的方法可得输出端口的反射系数：,变换成,以,L,为自变量的圆方程，其圆心在d,VOMN,，半径为r,VMON,40,等驻波比圆（续,2,）,1）对于电压驻波比的极小值：,两圆心坐标,（对于输入端口）,两圆半径同时都为零。,输出端口,VSWR,OMN,=1,输入端口,VSWR,IMN,=1,（对于输出端口）,2）所有等驻波比圆的圆心都落在原点到,in,*或,out,*的连线上。,在双共轭匹配的情况下，输入、输出反射系数都是源和负载,反射系数（,S,，,L,）的函数。所以，输入和输出电压驻波比圆,不能同时画出，而只能每次只考查一个的迭代方法调整,S,，,L,。,41,单级放大器设计小结,单向化设计,最大增益设计：输入、输出端均共轭匹配；,等增益设计：通常考虑输入、输出端中的一个端口共轭匹配，另一个端口做等增益设计。,非单向化设计,双共轭匹配：输入、输出端均共轭匹配，设计参数被唯一确定；,功率增益圆：输入端共轭匹配；,资用功率增益圆：输出端共轭匹配。,42,单级放大器设计小结（续）,噪声系数圆：,源阻抗的函数，与负载反射系数无关。,低噪声放大器：,输入端按最小噪声系数要求设计，,输出端考虑增益。,小信号放大器增益与噪声系数兼顾原则。,43,多级放大器设计,多级低噪声放大器设计,前置放大器和主放大器级联：设计合适的源导纳。,几个相同的单级低噪声放大器级联,平衡式放大器,单级放大器之间插入传输线的级联方式,44,