微波电路与系统(放大器稳定性)

电子科技大学贾宝富博士微波电路与系统稳定性和增益园分析稳定性的基本网络结构稳定条件将放大器视为一个两端口网络，该网络由S参量及外部终端条件ΓL和ΓS确定。稳定性意味着反射系数的模小于1。即：其中，利用公式在ΓL平面映射的的稳定性判别圆被称作输出稳定性圆。同样，由得到的在ΓS平面上的稳定性判别圆被称作输入稳定性圆。输出/输入稳定性圆输出/输入稳定性圆（续）输出稳定性圆稳定区域的判定负载稳定性条件和输出稳定性圆ΓL-Plane输入稳定性圆稳定区域的判定当时，输入稳定性圆稳定区域的判定（续）当时，源稳定性条件和输入稳定性圆Γs-PlaneΓout-Plane绝对稳定条件正如其名称的含义一样，绝对稳定是指在选定的工作频率和偏置条件下，放大器在整个Smith圆图内所有点始终都处于稳定状态。这个概念对输入、输出端口都适用。若lS11l1和lS22l1，则绝对稳定条件为：句话说，即稳定性判定圆必须完全落在单位圆和．之外稳定性系数K稳定因子(Rollett因子)K稳定参数ADS中的稳定性控件KB1μμ‘ADS中的输入稳定性圆和输出稳定性圆放大器的稳定措施稳定有源器件的一个方法就是在其不稳定的端口增加一个串联或并联的电阻。图9．10给出了输入端口的电路。放大器的稳定措施（续1）这个电阻必须与一起抵消掉的负值成分。因此，我们要求：其中，可以由求得；是源端内阻。同理，可以给出输出端口的稳定电路和相应相应的稳定条件：放大器的稳定措施（续2）由于晶体管输入、输出端口之间的耦合效应，通常只需要稳定一个端口。具体稳定那个端口完全取决于电路设计者。然而，应尽量避免在输入端口增加电阻元件，因为电阻产生的附加噪声将会被放大。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。其它稳定性措施StabilizingCkt.EffectonFminStabilizingCkt.EffectonS21StabilizingCkt.EffectonΓoptUsingS-ParameterDesignAmplifierDiagramPowerdefinition输入功率负载吸收功率信号源资用功率输出资用功率转换功率增益工作（实际）功率增益资用功率增益AmplifierNoise不同类型放大器设计最大增益设计；最小噪声设计；最大输出功率设计；符合特定增益、噪声或输入/输出反射损耗指标要求的设计；满足指定增益和噪声指标的宽带设计。最大增益设计输入/输出同时共轭匹配工作增益设计MatchingforMax.OutputPowerLoad-PullTechniqueADSSimulatingContourOfOutputPower(LoadPull)LowNoiseAmplifierMatchingForMin.NoiseFigureMatchingforSpecificGain,NFandIn/OutReturnLoss设计实例利用MMBR941设计一个放大器。放大器的稳定性利用S参数法设计放大器，第一步就是确定晶体管是无条件稳定或潜在不稳定。利用稳定性系数K和晶体管S参数的值可以很容易地确定放大器的稳定性。放大器无条件稳定的条件是：22211221221112212211121SSKSSSSSS利用ADS预置函数计算稳定性稳定区潜在不稳定无条件稳定放大器的功率增益转换功率增益资用功率增益工作功率增益最大转换增益;,;sininsLoutoutLLTAorZZorZZPGP;,;sininsLoutoutLLAaAorZZorZZPGPmax;,;maxmaxmaxsininsLoutoutLTTapTorZZorZZGGGGG;,;sininsLoutoutLLpinorZZorZZPGP最大增益最大转换增益最大稳定增益2221max2222111LTSLSGS211210log;MSGSGdBS仿真最大增益仿真结果最大稳定增益最大可用增益单向性RF电路的单向性指标通常是由参数UnilateralFigureofMerit来衡量的。“UnilateralFigureofMerit”的值（简记为U）为。利用该参数可以判断RF电路的单向特性。利用U值计算下列不等式的上、下限。1/[(1+U)(1+U)]GT/GTU1/[(1-U)(1-U)]其中，GT是传输功率增益，GTU为单向特性S12=0时的传输功率增益。如果上、下限为1或者U接近0，则认为放大器是单向的。1221112222112211SSSSUSS仿真模型仿真结果仿真结果表明该器件不是单向的。在500MHz如果采用单向近似，将会引入超过1dB的误差。双向设计如果器件设计频率是无条件稳定（K1），于是输入输出可以共轭匹配并能够获得最大可用增益。ΓMS和ΓML能够被唯一地确定。在这种状态输入输出电压驻波比VSWR=1。共轭匹配反射系数能够用ADS中S-parameterpalette中测量方程图标Smgam1和Smgam2计算。双向设计首先了解器件的输入/输出稳定性园改善稳定性的措施通过在输入回路添加串联电阻或在输出回路添加并联电阻可以很容易地改善晶体管的稳定性使其变为无条件稳定。例如本例中的晶体管在500MHz时，输入端添加一个R=0.18(50)=9Ω或R=1/(0.117*0.02)=430Ω的并联电阻就会使输入和输出稳定性园出现在原图之外。当然对具有一定带宽的放大器，在设计完输入输出匹配电路以后必须检查在整个频带的稳定性。如果改善稳定性的电阻包含在匹配网络中，通常它不会影响增益。仿真图仿真结果工作增益仿真仿真结果稳定性园与γ完整电路的仿真电路图仿真结果