第9章射频放大器无线通信射频电路技术与设计[文光俊]

1第9章射频放大器教学重点本章重点介绍了射频放大器的相关基础理论；介绍了射频放大器的DC偏置电路、阻抗匹配、稳定电路的功能、基本拓扑类型及相应的特点；介绍了低噪声放大器、功率放大器的各种电路拓扑与特点、设计要点、设计步骤和设计实例，以及功放的线性化技术、效率增强技术。教学重点教学重点掌握：低噪声放大器、功率放大器的设计要点和步骤。了解：射频放大器的DC偏置电路、阻抗匹配、稳定电路的功能、基本拓扑类型及相应的特点。熟悉：射频放大器的稳定性、增益、噪声、输出功率的相关基础理论。能力要求2本章目录第一节射频放大器的相关理论第二节射频放大器偏置电路第三节低噪声放大器设计第四节功率放大器设计3知识结构射频放大器射频放大器的相关理论放大器的噪声系数圆场效应晶体管偏置网络射频放大器的功率增益双极型晶体管偏置网络低噪声放大器简介低噪声放大器主要技术指标放大器的稳定性低噪声放大器基本电路射频放大器偏置电路低噪声放大器设计功率放大器设计常见的LNA电路配置低噪声放大器设计步骤低噪声放大器设计举例功率放大器简介功放的工作类型功率放大器的主要性能指标功率放大器的设计步骤功率放大器设计举例功率合成技术功率放大器线性化技术功率放大器的效率增强技术4§9.1射频放大器的相关理论in19.1.1放大器的稳定性输入反射系数：1221Lin1122L1SSSs1221Lout2211L1SSSS输出反射系数：两类稳定性：in1out1out1(1)绝对稳定：无论晶体管放大器接什么样的无源负载阻抗和源阻抗，均有和。(2)条件稳定：不是所有的无源负载阻抗和源阻抗，均使晶体管放大器的和。5§9.1射频放大器的相关理论1、稳定性判定圆放大器稳定性边界条件：1221L11Lin1122L22L111SSSSSS22S1221Lout2211L11S111SSSSSS其中：。11221221SSSS输出稳定圆输入稳定圆（1）对于输出稳定性判定圆输出稳定区与非稳定区6§9.1射频放大器的相关理论（2）对于输入稳定性判定圆输入稳定区与非稳定区2、绝对稳定绝对稳定条件：ininr1Coutoutr1C111SoutS时，与平面上的绝对稳定条件7§9.1射频放大器的相关理论用稳定因子k描述绝对稳定条件：将输入稳定圆的圆心和半径的表达式：**1122ininin2211()RISSCCjCS1221in2222-SSrS代入稳定条件：ininr1C可得：*1122122122111SSSSS整理得：222222221122111221140SSSSS上式大括号中的表达式必须大于0，故可得：22211221221112SSkSS8§9.1射频放大器的相关理论3、放大器的稳定措施（1）电阻性加载电阻性加载是场效应晶体管或双极型晶体管的一种常用稳定措施，这种方法即为在有源器件的不稳定端口增加一个串联或并联的电阻。（2）并联反馈通过在晶体管的输出端到输入端之间添加一个电阻器，引入负反馈，能很好地改善晶体管的稳定性。串联反馈要求在器件的公共端接入一个电阻器或者电感器。（3）串联反馈用串联或并联的电阻稳定措施放大器的反馈型稳定措施9§9.1射频放大器的相关理论9.1.2射频放大器的功率增益1、放大器功率增益定义单级放大器网络的功率传输图源反射系数：S0SS0ZZZZ负载反射系数：L0LL0ZZZZ平均输入功率：2222122SS1ininin2000Sin1112281VVVPZZZ10§9.1射频放大器的相关理论传送到负载的平均功率：22222222221L21SL221S2LL222000022L22LSin11112228111SSVVVVPZZZZSS传送到负载的最大功率：*outL222221SoutSL,maxL22*022outSin11811SVPPZS（1）功率转换增益定义：负载吸收功率和信号源资用功率之比。222S21LLT22ASin22L(1)(1)11SPGPS11§9.1射频放大器的相关理论（2）资用功率增益和工作功率增益资用功率增益：*Lout22L,max21SAT22A11Sout(1)1(1)PSGGPS工作功率增益：22L21LP22inin22L(1(1)1SPGPS12§9.1射频放大器的相关理论2、放大器的功率增益特性（1）单向化设计法单向化功率转换增益的原理图单向化功率转换增益：222SLTU21211SL221111GSSS13§9.1射频放大器的相关理论（2）最大增益设计12S实际的放大器电路设计中，当大到不能忽略时，采用单向化设计法导致的误差不能容忍，此时应采用双共轭匹配法做放大器的最大增益设计。输入端口反射系数：1221LS1122L1SSSS输出端口反射系数：1221SL2211S1SSSS由（1）和（2）可得：（1）（2）22111S142BBCC22222L242BBCC14§9.1射频放大器的相关理论其中：222111221BSS222222111BSS11122CSS22211CSS最大增益与稳定因子k的关系为：212Tmax121SGkkS当k=1时可以得到有用的数值，它通常别称为最大稳定增益，表达式为:21msg12SGS15§9.1射频放大器的相关理论3、等增益圆考虑了晶体管反馈效应的实际放大器设计中，根据工作功率增益和资用功率增益的定义可以推导出相应的等增益圆形式。1、工作功率增益圆在晶体管输入阻抗和源阻抗共轭匹配的条件下，可以将工作功率增益的表达式改写成如下形式：2222L21L212PP212222112Lin22L1122L22L1111111SSGgSSSSSSSPg其中为比例系数：22LLPP2222122L11L2112L1122L22L111111GgSSSSSSSS16§9.1射频放大器的相关理论L将上式改写为负载反射系数的圆方程形式，即：LPPCr其中圆心坐标：P2211P22P221gSSCgS圆半径：22P122101221P22P22121kgSSgSSrgS式中k为Rollett稳定因子。17§9.1射频放大器的相关理论2、资用功率增益圆资用功率增益圆方程为：SAACr其中圆心坐标：A1122A22A111gSSCgS圆半径：22A2112a1221A22A11121kgSSgSSrgSAg比例系数由下式确定：2SAA22212112S2211S11S1111GgSSSSSSAG其中是要求的资用功率增益。18§9.1射频放大器的相关理论9.1.3放大器的噪声系数圆等噪声系数圆方程：2optoptS111NNNN圆心：optF1CN半径：2optF11NNrNFoptCminFFoptFCFr从圆方程可以看出：当时，得到最小噪声系数，等噪声系数圆约简化成一点；所有等噪声系数圆的圆心都落在原点与的连线上；噪声系数越大，则圆心距离原点越近而且半径越大。19§9.2射频放大器偏置电路9.2.1双极型晶体管的偏置网络对于射频双极型晶体管的偏置电路，常见的有固定基流偏置电路和基极分压射极偏置电路两种，它们的拓扑结构如图所示：双极型晶体管的无源偏置电路20§9.2射频放大器偏置电路CC10VVCE5VVC10mAIBE0.7VV100CBO0I参照上图所示的无源偏置电路，为双极型晶体管设计偏置。已知晶体管的工作状态为，，。假定晶体管的电流放大系数，且。解：偏置电路的直流通路可简化成：简化电路固定基流偏置电路中，基极电流为：3CB10100.1mA100IICCCE1B549.5110.1VVRICEBE23B4.343k0.110VVRIXBEXBE33BC1.5=15kΩ0.110VVVVRIIX2.2VV假定，则：XV1RXIBI为了保证中间电位为近似固定值，流过电阻的电流的值至少为的10倍，则：CCX1XB7.878kΩ10VVRIIX23XB2.22.44kΩ0.910VRIICCCE43C5200Ω1010VVRI21§9.2射频放大器偏置电路9.2.2场效应晶体管的偏置网络场效应晶体管的偏置网络和双极型晶体管偏置网络的拓扑结构基本相同。由于场效应管的偏置条件许多时候需要负的栅极电压，通常采用双电源供电。场效应晶体管的双极性无源偏置网络传输线偏置22§9.3低噪声放大器设计9.3.1低噪声放大器简介低噪声放大器（low-noiseamplifier，LNA）是射频接收机前端的重要组成部分。通常低噪声放大器位于接收机的最前端，它对微弱的接收信号进行放大并尽可能少地引入本地噪声。9.3.2低噪声放大器的主要技术指标1、工作频率TfTf放大器能够工作的频率取决于晶体管的特征频率，常选择是工作频率的5～10倍。2、噪声系数噪声系数在不同的应用场合有不同的要求，它的值可以从1dB到几个dB。噪声系数与放大器所选用的晶体管噪声特性、静态工作点、输入/输出匹配特性、工作频率和工艺有关，是低噪声放大器最为重要的指标。23§9.3低噪声放大器设计3、增益放大器增益的大小取决于系统的要求，较大的增益利于抑制后续电路的噪声对整个接收机系统的影响，但是增益太大会导致后面的下变频器输入过载，产生非线性失真。因此，低噪声放大器的增益应当适中，一般在25dB以下。4、输入/输出阻抗匹配输出匹配通常采用共轭匹配方式，以实现最大功率传输。输入匹配电路一般有两种，一为实现噪声系数最小的噪声匹配，二是实现最大功率增益和最小回波损耗为目的共轭匹配。5、线性度低噪声放大器的线性范围主要由三阶互调截点输入功率IIP3或输出功率OIP3和1dB压缩点的输入或输出功率来衡量。6、反向隔离度反向隔离反应了低噪声放大器输出端与输入端的隔离度，良好的反向隔离可以减少本振信号到天线的泄露。24§9.3低噪声放大器设计9.3.3低噪声放大器基本电路低噪声放大器基本电路框图如图所示，主要包括偏置电路、输入/输出匹配电路和控制保护电路三部分。1、直流（电压/电流）偏置电路偏置电路的作用就是给放大器提供需要的直流电压或电流，它通常有固定基极、基极分压、传输线和有源偏置等形式。2、阻抗匹配/转换电路为了实现最大增益、最小噪声系数或最大功率传输，放大器相应有增益、噪声和功率匹配网络。3、控制和保护电路控制电路通常由开关、衰减器、移相器和限幅器等器件构成，它的主要作用是提高放大器线性度和控制增益。放大器电路结构框图25§9.3低噪声放大器设计9.3.4常见的LNA电路配置对场效应管而言，电路配置可以分为共源、共栅、共漏和共源-共栅（cascode）四种基本类型；相应地，对双极型晶体管而言，电路配置又可以分为共射、共基、共集和共射-共基（cascode）四种基本类型。FET和BJT的基本电路配置26§9.3低噪声放大器设计9.3.5低噪声放大器的设计步骤1、依据应用要求（噪声，频率，带宽，增益，功耗等）选择合适的晶体管或工艺。2、确定LNA电路拓扑。3、确定放大器的直流工作点和设计偏置电路。4、确定最小噪声输入阻抗。5、将最小噪声输入阻抗匹配