设计一个射频小信号放大器
实验六射频放大器的设计
实验六射频放⼤器的设计实验六射频放⼤器的设计、仿真和测试⼀、实验⽬的1、了解描述射频放⼤器的主要性能参数及类型2、掌握放⼤器偏置电路设计⽅法3、了解最⼩噪声、最⼤增益放⼤器的基本设计⽅法4、掌握放⼤器输⼊、输出⽹络的基本结构类型5、掌握⽤ADS 进⾏放⼤器仿真的⽅法与步骤⼆、实验原理常⽤的微波晶体管放⼤器有低噪声放⼤器、宽带放⼤器和功率放⼤器。
⽬的是提⾼信号的功率和幅度。
低噪声放⼤器的主要作⽤是放⼤天线从空中接收到的微弱信号，减⼩噪声⼲扰，以供系统解调出所需的信息数据。
功率放⼤器⼀般在系统的输出级，为天线提供辐射信号。
微波低噪声放⼤器的主要技术指标有:噪声系数与噪声温度、功率增益、增益平坦度、⼯作频带、动态范围、输⼊输出端⼝驻波和反射损耗、稳定性、1dB 压缩点。
1、⼆端⼝⽹络的功率与功率增益及主要指标信号源的资⽤功率实际功率增益转换功率增益资⽤功率增益*max in sin a in P P P Γ=Γ==*out LL L max an =P P P ==ΓΓ22212222(1)1(1)L Lin L in S P G P S -Γ==-Γ-Γ222210222211/11s LT L a s Ls in LG P P S G G G S -Γ-Γ===-ΓΓ-Γ()22212211(1)/11s avsan a soutS GP P S -Γ==-Γ-Γ2.放⼤器的稳定性⽆条件稳定：不管源阻抗和负载阻抗如何，放⼤器输⼊输出端反射系数的模都⼩于1，⽹络⽆条件稳定（绝对稳定）条件稳定：在某些范围源阻抗和负载阻抗内，放⼤器输⼊输出反射系数的模⼩于1，⽹络条件稳定（潜在不稳定）由于放⼤器件内部S12产⽣的负反馈导致放⼤器⼯作不稳定！稳定性设计是设计放⼤器时⾸要考虑的问题。
匹配⽹络与频率有关；稳定性与频率相关；可能情况是设计的频率稳定⽽其他频率不稳定。
⽆条件稳定的充分必要条件：稳定性系数K输⼊、输出稳定性圆(条件稳定)：|Гin|=1 或 |Гout|=1在Smith 圆图上的轨迹输出稳定性圆判别该输出稳定性区域？稳定圆不包含匹配点，|S11|<1时： |Гin|<1，稳定，匹配点在稳定区 |S11|>1时： |Гin|>1，不稳定，匹配点在不稳定区输⼊稳定性圆（条件稳定）3.最⼤增益放⼤器设计（共轭匹配）源和负载与晶体管之间达到共轭匹配时，可实现最⼤增益。
第2章 射频小信号放大器电路
ABA52563是Agilent公司生产的宽带放大器电路芯片 ABA51563、ABA52563、ABA53563之一，工作频率 范围为DC～3.5GHz，增益为21.5dB，在整个工作频 率范围电压驻波比(VSWR)<2.0，输出P1dB为9.8dBm， 噪声系数为3.3dB，电源电压为5V，电流消耗为35mA。 ABA52563采用SOT-363/SC70封装，各引脚端功能如 下：引脚端Input为信号输入端，Output&Vcc为输出和 输出级电源电压引脚端，Vcc为前级放大器电源电压输 入端，GND1/2/3为地。
2)电作用转换成机械效应。在压电陶瓷片的极板上加 一电压u，则在陶瓷介质内建立起电场，在电场力的作 用下，陶瓷介质将发生极化并产生机械变形(伸长或收 缩)。当u的极性改变时，介质极化及机械变形的方向 也改变。 设u为某一频率的交流信号，则压电陶瓷片也按同一频 率伸缩，形成机械振动，u愈大，则振动愈强。压电陶 瓷片的机械振动有一个固有频率。如果所加电压u的频 率正好等于其固有频率，则很小的u就可使压电陶瓷片 发生很强的机械振动，即压电陶瓷片处于共振状态(谐 振状态)。
图2.33二端陶瓷元件的等效电路
图2.34二端陶瓷元件等效阻抗的频率特性
(3)三端陶瓷元件 三端陶瓷元件的结构与符号如图2.35所示，由两片陶 瓷片A和B用导电胶粘合起来，由粘合面 引出的端子作为公共端，而由另两面引出的端子分别 作为输入端和输出端。 输入信号u加在A片上，它将电能转换成机械能，并产 生机械振动。机械振动通过粘合面传到B片上，又将机 械能转换成电能，输出给外接负载RL。同样，当信号 频率与陶瓷片固有的机械振动频率相等时，形成共振。 共振状态可形成强的电流，提供最大的电流到外部电 路。在共振的条件下，输出和输入信号间可能是同相 位，也可能有180°的相位差，与A、B陶瓷片的粘合 面有关。
射频放大器电路设计32页PPT
15、机会是不守纪律的。——雨果
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
射频放大器电路设计
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
射频放大器电路设计
下图示意了|S 时的稳定与非稳定区域。 下图示意了 22|<1及|S22|>1时的稳定与非稳定区域。 及 时的稳定与非稳定区域 |Гout|=1 ГSI rin 非稳定区
|ГS| =1
ГSR
(a) |S22|<1
(b) |S22|>1
的取值， 一旦得到Г 平面上的输出稳定圆，参考|S 的取值 一旦得到 S平面上的输出稳定圆，参考 22|的取值，就很容易知道对应于输入 端口稳定或非稳定的Г 取值范围，从而为匹配电路设计提供指导。 端口稳定或非稳定的 S取值范围，从而为匹配电路设计提供指导。
S 22 − Γ S D ， 若ГS＝0，则|Гout|=|S22| 1 − S11Γ S
|Гout|=1 rin Cin
ГSI |ГS| =1
ГSR
ГS平面上的输入稳定圆
晶体管稳定性
输入稳定圆
|Гout|=1 ГSI |ГS| =1 Cin 稳定区 ГSR rin 稳定区 Cin 非稳定区
放大器设计
Γin Γout 射频微波晶体管的两端口网络等 效 ΓL，ΓS分别是负载及源反射系数，由负载阻抗及源阻抗决定 分别是负载及源反射系数，由负载阻抗及源阻抗决定: ΓL= ( ZL-ZC ) / ( ZL+ ZC) ΓS= ( ZS-ZC ) / ( ZS+ ZC)
晶体管的稳定性
射频微波晶体管稳定性意味着图中诸反射系数的模值应小于 ， 射频微波晶体管稳定性意味着图中诸反射系数的模值应小于1，即 稳定性意味着图中诸反射系数的模值应小于 |Γin|＜1， |Γout|＜1 ＜ ， ＜
ГLR
|S11|>1时，原点所在区域为非稳定区域 时 S − ΓL D Γin = 11 因为 ГL平面上的输出稳定圆 若ГL＝0，则|Гin|=|S11| ， 1 − S 22Γ L 右上图在|S 时的稳定与非稳定区域如下图所示。注意|Г 右上图在 11|<1及|S11|>1时的稳定与非稳定区域如下图所示。注意 L|≤1
射频功率放大器电路设计
本文主要对射频功率放大器电路设计进行介绍，主要介绍了射频功率放大器电路设计思路部分，以及部分设计线路图一、阻抗匹配设计大多数PA都内部集成了到50欧姆的阻抗匹配设计网络，不过也有一些高功率PA 将输出端匹配放在集成芯片外部，以减小芯片面积。
常用的匹配设计有微带线匹配设计、分立器件匹配设计网络等，在典型设计中有可能会将两者共同使用，以改善因为分立器件数值不连续带来的匹配设计不佳的问题。
PA阻抗匹配设计原理和射频中的阻抗匹配相同，都是共轭匹配设计，主要实现功率的最大传输。
常用工具可以使用Smith圆图来观察阻抗匹配设计变化，同时用ADS软件来完成仿真。
二、谐波抑制由本人微博《射频功率放大器 PA 的基本原理和信号分析》得知，谐波一般是由器件的非线性产生的倍频分量。
谐波抑制对于CE、FCC认证显得尤为重要。
由于谐波的频率较分散，所以一般采用无源滤波器来衰减谐波分量，达到抑制谐波的效果。
不仅PA，其它器件包括调制信号输出端都有可能产生谐波，为了避免PA对谐波进行放大，有必要在PA输入端即添加抑制电路。
上图所示无源滤波器常用于2.4G频段的芯片输出端位置，该滤波器为五阶低通滤波器，截止频率约为3GHz，对2倍频和3倍频的抑制分别达到45.8dB和72.8dB。
使用无源滤波器实现谐波抑制有以下优点：l 简单直接，成本有优势l 良好的性能并且易于仿真l 可以同时实现阻抗匹配设计三、系统设计优化系统设计优化主要从电源设计，匹配网络设计出发，实现PA性能的稳定改善。
3.1 电源设计功率放大器是功耗较大的器件，在快速开关的时候瞬间电流非常大，所以需要在主电源供电路径上加至少10uF的陶瓷电容，同时走线尽量宽，让电容放置走线上，充分利用电容储能效果。
PA供电电源一般有开关噪声和来自其它模块的耦合噪声，可以在PA靠近供电管脚处放置一些高频陶瓷电容。
有必要也可以加扼流电感或磁珠来抑制电源噪声。
从SE2576L的结构框图可以看出，该PA一共由三级放大组成，每一级都单独供电，前面两级作为小信号电压增大以及开关偏置电路，其工作电流较小，最后一级功率放大，其电流很大。
小信号放大器设计
单向化最大增益设计
最大单向化功率增益：
如果|S11|<1、 |S22|<1，且输入、输出端口都匹配， 即有：
S , S s i n 1 1 L o u t 2 2
2
G S TU max 21 2 2 1 S 1 S 11 22
G
L m ax
2 2 2
C1
C1 C2
＝0.3∠-18o ＝0.12∠69o
( 1 ) ( 1 ) S21 S 2 1 M L M s 2 G G (k k 1) T m a x 2 T max ( 1 S ) ( 1 S ) S S 1 1 M S 2 2 M L 2 11 2 M L M S S12
双向最大增益设计
设实际信号源及负载阻抗都等于传输线特性 阻抗，Z Z Z 即 0 双共轭匹配要求输入网络使Γs’变换到Γs，输 出网络使ΓL’变换到ΓL，且同时满足以下联立 方程：
S L 0
S
L
S S S 21 12L 11 L S s in 11 1 S 1 S 22L 22L
根据上面求出的 ΓMS 和ΓML，最佳匹配条件可以 表示为：
S MS 11 1 S22 ML
S21 S 12 ML
S22 ML
S21 S 12 MS 1 S 11 MS
由此可见，忽略了输入、输出耦合效应的单向 化设计法是双共轭匹配设计法的一部分。
双向最大增益设计
晶体管是否为绝对稳定？ 最大增益对应的源反射系数和负载反射系数
射频和微波放大器设计
为B类工作旳放大器称为AB类放大器。
➢ C 类（丙类）放大器 • 放大器在整个信号周期内，晶体管在工作区工作旳时间
明显少于半个信号周期旳放大器为C类放大器。
小信号放大器设计
小信号放大器设计旳基 本环节
选择合适旳器件或芯片 o 工作频率 o 增益 o 噪声 o 功率电平
小信号放大器设计
窄带放大器设计 o 工作带宽不大于10%旳放大器可以为是窄带放大器
窄带放大器分类 最大增益放大器 高增益放大器 最低噪声放大器
高增益放大器设计举例
例 15.1 设计一工作频率为3GHz，增益为15dB旳放大器，选择如
下S参数旳双极晶体管（VCE=4V ，IC=5mA）：
宽带放大器（BBA）设计 ——负反馈技术（分析）
➢ 取得最小输入和输出驻波比旳条件
➢ 设计举例
宽带放大器（BBA）设计 ——负反馈技术（高频情况）
伴随工作频率旳增长，S21旳相位将趋向于900， 也就是说可能出现正反馈旳成份，由此引起放 大器旳不稳定，为了确保放大器旳稳定性，能 够在并联反馈元件上附加一种串联电感，以变 化反馈分量旳相位。
功率放大器旳最小信号电平和动态范围
最小信号电平 放大率Po,mds，必须不小于放大器旳输出噪声功率。 • Po,mds定义为高于输出噪声功率电平 x 分贝。
或
功率放大器旳最小信号电平和动态范围
功率放大器旳动态范围 功率放大器旳动态范围定义为放大器旳线性最
交调对接受系统旳影响分析
对于窄带功率放大器，除了三阶交调项（即 2f1-f2和2f2-f1）外，全部附加旳频率分量都能 够经过滤波器被滤除掉。
设计一个射频小信号放大器
设计⼀个射频⼩信号放⼤器题⽬:设计⼀个射频⼩信号放⼤器概述⾼频⼩信号放⼤器是通信设备中常⽤的功能电路，它所放⼤的信号频率在数百千赫⾄数百兆赫。
⾼频⼩信号放⼤器的功能是实现对微弱的⾼频信号进⾏不失真的放⼤，所谓⼩信号,⼀是信号幅度⾜够⼩,使得所有有源器件(晶体三极管,场效应管或IC)都可采⽤⼆端⼝Y参数或线性等效电路来模型化;⼆是放⼤器的输出信号与输⼊信号成线性⽐例关系.从信号所含频谱来看，输⼊信号频谱与放⼤后输出信号的频谱是相同的。
⾼频⼩信号放⼤器的分类：按元器件分为：晶体管放⼤器、场效应管放⼤器、集成电路放⼤器;按频带分为：窄带放⼤器、宽带放⼤器;按电路形式分为：单级放⼤器、多级放⼤器;按负载性质分为：谐振放⼤器、⾮谐振放⼤器;.⾼频⼩信号谐振放⼤器除具有放⼤功能外,还具有选频功能,即具有从众多信号中选择出有⽤信号,滤除⽆⽤的⼲扰信号的能⼒.从这个意义上讲,⾼频⼩信号谐振放⼤电路⼜可视为集放⼤,选频⼀体,由有源放⼤元件和⽆源选频⽹络所组成的⾼频电⼦电路.主要⽤途是做接收机的⾼频放⼤器和中频放⼤器.其中⾼频⼩信号调谐放⼤器⼴泛应⽤于通信系统和其它⽆线电系统中，特别是在发射机的接收端，从天线上感应的信号是⾮常微弱的，这就需要⽤放⼤器将其放⼤。
⾼频信号放⼤器理论⾮常简单，但实际制作却⾮常困难。
其中最容易出现的问题是⾃激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。
本⽂以理论分析为依据，以实际制作为基础，⽤LC振荡电路为辅助，来消除⾼频放⼤器⾃激振荡和实现准确的频率选择；另加其它电路，实现放⼤器与前后级的阻抗匹配。
2电路的基本原理图2-1所⽰电路为共发射极接法的晶体管⾼频⼩信号单级单调谐回路谐振放⼤器。
它不仅要放⼤⾼频信号，⽽且还要有⼀定的选频作⽤，因此，晶体管的集电极负载为LC并联谐振回路。
在⾼频情况下，晶体管本⾝的极间电容及连接导线的分布参数等会影响放⼤器输出信号的频率或相位。
晶体管的静态⼯作点由电阻R b1、R b2及Re决定，其计算⽅法与低频单管放⼤器相同。
射频小信号高增益放大器设计
最佳输入反射系数ΓSm=-0.7966-0.0332i
最佳输出反射系数ΓLm=0.7430+0.340i
最大转换增益GTmax=19.98dB。
实验总结：
通过这次实验，对射频放大器的相关理论知识有了较好的理解，比如，放大器的稳定条件的判断，放大器的匹配原则，如向前看，向后看，到底哪个更容易实现匹配，对操作的简单化，对史密斯圆图来匹配放大的知识有了了解，如其中的噪声圆，增益圆的相关关系，通过实验，把老师讲的知识理解的比以前通透。对HFFS软件来设计微带线天线有了了解。通过老师的实验讲解，对微带天线的原理，参数及设计方法有了初步的接触，由老师对其电场和磁场的动画演示，客观的理解微带天的工作原理。获益匪浅。
微带传输线适当变形也可以实现辐射，制成微带天线
在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片作为辐射元，就构成了微带天线。最简单的微带天线是在介质基片上贴加矩形导体薄片而形成的矩形微带天线
右图给出了矩形微带辐射元的示意图，其中介质基片的厚度为h，矩形贴片的长度为L，宽度为d，与宽度为W的导带相连接。
由于介质基片的厚度h远远小于工作波长，可以认为导体贴片与接地板之间的电场沿h方向没有变化。
放大器的线性工作范围。最小输入功率为接收灵敏度，最大输入功率是引起1 dB压缩的功率。
DR(dB)=P1dB(dBm)+174dBm/Hz-BW(dBHz)-NF(dB)-G(dB)
))放大器的功率附加效率
2.射频放大器的设计原理及匹配技术
放大器电路框图
高增益放大器的阻抗匹配技术
找到(GMS, GML)满足gain matching conditions: GMS=GIN* and GML=GOUT
增益可控射频放大器设计方案
增益可控射频放大器设计方案
要设计一个增益可控的射频放大器，可以采用以下方案：
1.选择合适的放大器架构：常见的射频放大器架构有共集、共基和共射极。
其中，共基架构通常具有较高的输入和输出阻抗匹配，适用于宽频段的应用；共射架构具有较高的增益和较低的噪声，适用于功率放大器设计。
2.选择合适的放大器器件：根据设计要求选择合适的射频晶体管或场效应管。
通常情况下，选择具有较高的增益、较低的噪声系数和适当的功率容量的器件。
3.匹配网络设计：使用合适的匹配网络来实现输入输出的阻抗匹配。
匹配网络可以提高电路的功率传输效率，减小反射损耗，并实现最优的功率增益。
4.增益控制电路设计：可以采用可变电容、电阻、电感等元件来实现增益的可调控。
通过调整这些元件的参数来控制放大器的增益。
5.稳定性分析和设计：进行稳定性分析，确保放大器在工作范围内保持稳定。
可以采取稳定性增强措施，如添加稳定性网络或者改进反馈电路。
6.射频线路设计：布局射频线路时，要尽量避免回授、干扰和串扰。
采用合适的屏蔽和分离技术，以减小射频线路的损耗和干扰。
7.仿真和测试：使用射频模拟软件进行电路仿真，验证设计的性能，并进行测试调整和优化。
以上是一般的增益可控射频放大器设计方案，具体的设计流程和细节还需要根据具体的应用环境和要求来调整。
射频放大电路设计
Pi/N
A G2Pi/N
Pi
Pi/N 功率 Pi/N
A G3Pi/N G4Pi/N
A
功率
P
Pi N
N
Gi
i1
分配
合成
Pi/N
A GN-1Pi/N
Pi/N
A GNPi/N
7.4.3 功率合成放大电路
3dB耦合器
G1
RFIN 1
2
匹配 网络
A1
匹配 网络
3dB耦合器
50W
4 50W
3 匹配
G2
网络
MS
PIN PAVS
VSWRIN
1
1
Ga Ga
1
1
1 MS 1 MS
7.2 射频放大电路旳噪声
7.2.1 噪声信号旳特征和分类
1） 2）
热噪声 散粒噪声
PN kTB
3） 闪烁噪声
I 等效噪声温度和噪声系数
PNI=0
R T=0K
有噪声 放大电路
PNO R
（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 若输出稳定鉴别圆包括史密斯圆图中心 点（如图7.2（a）所示），ΓL旳稳定区域在输 出稳定鉴别圆内。ΓL旳稳定区域是史密斯圆图 单位圆内输出稳定鉴别圆内旳区域，是图7.2 （a）中旳阴影区。
② 若输出稳定鉴别圆不包括史密斯圆 图中心点（如图7.2（b）所示），ΓL旳稳 定区域在输出稳定鉴别圆外。ΓL旳稳定区 域是史密斯圆图单位圆内输出稳定鉴别圆 外旳区域，是图7.2（b）中旳阴影区。
|GS|1 (b) K<1, |S11|>1, |S22|<1
小信号放大器设计
输出阻抗
放大器输出端对负载的阻抗， 影响信号的传输标，影响放大器的信噪比 性能。
02
小信号放大器基本原理
放大器组成及工作原理
中间级
放大输入信号，提 供足够的电压增益。
偏置电路
为各级提供合适的 静态工作点。
输入级
接收微弱信号，提 供适当的输入阻抗 以匹配信号源。
失真度
衡量放大器输出信号 波形的失真程度，影 响信号的保真度。
03
设计方法与步骤
需求分析
明确放大器的性能指 标，如增益、带宽、 噪声系数等。
分析应用场景，了解 对放大器的特殊需求， 如低功耗、高线性度 等。
确定输入信号的特性 和范围，如频率、幅 度等。
拓扑结构选择
根据性能指标选择合适的放大器 类型，如低噪声放大器、宽带放
低噪声
减小放大器自身产生的噪声对信号的 影响。
关键性能指标
增益
衡量放大器放大信号 的能力，通常用电压 放大倍数表示。
输入/输出阻抗
衡量放大器与信号源 或负载的匹配程度， 影响信号的传输效率。
带宽
衡量放大器对不同频 率信号的放大能力， 通常用频率响应曲线 表示。
噪声系数
衡量放大器自身产生 的噪声对信号的影响 程度，影响信号的信 噪比。
带响应（>1MHz）。
06
测试与评估方法
测试方案制定
明确测试目的
确定小信号放大器的性能指标，如增益、带宽、噪声系数等。
选择合适的测试信号
根据放大器特性和测试需求，选择适当的输入信号，如正弦波、方 波等。
制定测试步骤
包括测试前的准备工作、测试过程中的操作顺序和数据记录等。
测试环境搭建及仪器配置
测试环境选择
2.2 射频小信号放大器电路结构
在图2.2.7中，虚线K总（0=0的一条）是两个回路调 谐于同一频率f0的情况。可以看出，在f0附近，它要比 参差调谐（0=1）的尖锐。但在远离f0处，两者差不
多。
参差调谐的综合频率特性与广义参差失谐量0有关。 0愈小则愈尖， 0愈大则愈平。当 0大到一定程度时， 由于f 0处的失谐太严重，综合频率特性曲线可以出现 马鞍形双峰的形状（图2.2.7中 0 =2的一条）。
（2.2.4）
从对频率式 于 率 特（不性f0相同和2.2同频并.4的率联）信的谐可号信振见，号电，Z，路KAC与的Z最AZC特大是AC性成，不相正故同同比K的也。。。最Z对A大C于是。频频可率率见与的K谐的函振频数，
谐振时，
2
2
ZAC
R
rce
N1 N0
//
Q00
L
//
RL
N1 N2
放大器的频率特性如图2.2.8所示。适当选择每个回路
的有载品质因数QL和0，可以获得比较平坦的合成的
谐振曲线。
图2.2.8 三参差调谐放大器的频率特性
2.2.6 宽频带放大器
宽频带放大器既要有较大的电压增益，又要有很宽的频带，
所的以重常要用指电标压，增称益为增Au和益通带频宽带积B，W写的成乘G积·BW作=为Au衡ƒH量。其此性通能频 带频用率上ƒL一限般截很止低频或率为ƒH零表。示A，u是因电为压宽增频益带幅放值大。器增的益下带限宽截积止
越大的宽频带放大器的性能越好。 宽频带放大器既可以由晶体管和/或场效应管组成，也可
以由射频集成电路组成。集成宽频带放大器常采用单级或 多级差分电路形式。
在宽频带放大电路中，要提高上限截止频率，展宽通频带， 在集成宽频带放大器中广泛采用共射共基组合电路和负 反馈。
射频放大器电路设计
01
02
03
晶体管
选择合适的晶体管类型和 型号，考虑其增益、带宽、 功率容量等参数。
电阻、电容、电感
根据电路需求选择合适的 电阻、电容和电感，确保 电路性能稳定。
调谐网络
根据工作频率和带宽需求， 设计调谐网络以实现最佳 性能。
阻抗匹配
输入阻抗匹配
通过匹配网络将源阻抗与 放大器输入阻抗匹配，提 高信号传输效率。
共集放大器
总结词
共集放大器是一种常用的射频放大器电路设计，具有高输入阻抗、低输出阻抗和电流增 益的特点。
详细描述
共集放大器采用共集电极放大方式，将输入信号通过晶体管基极进行放大，并通过发射 极输出。由于其电流增益较高，适用于对电流变化敏感的信号处理，同时具有较好的输
入阻抗和低输出阻抗性能。
功率放大器
雷达系统用放大器设计
总结词
雷达系统用放大器设计主要关注高输出功率和稳定性 ，以确保雷达系统的探测距离和准确性。
详细描述
在雷达系统用放大器设计中，高输出功率和稳定性是 关键的设计指标。为了实现高输出功率，设计师通常 会选择大功率晶体管和适当的电路结构。同时，为了 提高稳定性，需要采取有效的散热措施和电路保护措 施，以防止放大器过热或损坏。此外，还需要对放大 器的相位噪声、谐波失真等进行优化，以确保雷达系 统的探测距离和准确性。
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输出阻抗匹配
将放大器输出阻抗与负载 阻抗匹配，确保最大功率 传输。
共轭匹配
采用共轭匹配方式，使信 号在传输过程中保持恒定 幅度和相位。
噪声与增益
噪声系数
分析电路中噪声的来源，如热噪 声、散弹噪声等，并采取措施降 低噪声系数。
第六章 射频放大器设计
b1 S11a1 S12 a2 b2 S21a1 S22 a2
b1 S11 b S 2 21
S12 a1 a S 22 2
b = S a
b1 b b 2
a1 a a 2
Smith圆上的稳定区域和不稳定区域
微波电路设计
S11 1
L 0 点
| in | 1
是不稳定点
稳定性圆与Smith圆的交接部分是稳定性区域
L 0 点
在稳定性圆内
稳定性分析
微波电路设计
1 2
稳定性圆 稳定性的判定与设计
稳定性的设计与判定
微波电路设计
稳定性包括无条件稳定和有条件稳定 需要研究什么样的前提条件下，能实现稳 定，保证放大器的正常工作 无条件稳定的充要条件
CCEE
第六章 射频放大器设计
射频微波电路设计
射频放大器的设计
微波电路设计
传输线需要与有源器件良好匹配，以降低电 压驻波比、避免寄生振荡。 稳定性分析通常被作为射频放大器设计工作 的第一个步骤。 从以下两个方面分类：
根据应用条件分类：在通信系统中的接收电路中 ，射频放大电路采用低噪声放大电路，负责将微 弱信号放大；在发射系统中，则采用功率放大电 路，负责提供足够功率的射频信号输出。 根据带宽分类：分为窄带放大器和宽带放大器。
1 | S11 |2 | S22 |2 | |2 K 0.79 1 2 | S12 S21 |
| || S11S22 S12 S21 | 0.46 1
在f=1.25GHz处，得到
1 | S11 |2 | S22 |2 | |2 K 1.02 1 2 | S12 S21 |
射频小信号放大器电路
2通频带 通频带定义为放大器的增益下降3dB时的上限截止频率与下限截止频率之差，即放大器电路电压增益频率响应特性由最大值下降3dB时，所对应的频带宽度，通常以BW0.7表示，如图2.2所示。
式中，BW0.1是增益下降到最大值的0.1倍时的频带宽度；BW0.1和BW0.7之间的频率范围称为过渡带；K0.1间接反映了过渡带与通频带的频宽比，K0.1越小，过渡带越窄，选择性越好。理想情况下的K0.1等，定义为
04
3选择性
01
选择性有两种描述方法：一是用矩形系数来说明邻近信道选择性的好坏；二是用抑制比(或称抗拒比)来说明对带外某一特定干扰频率fN信号的抑制能力的大小。
03
K0.1=BW0.1/BW0.7 (2.1.3)
05
选择性表示放大器对通频带以外的干扰信号的滤除能力，即指对通频带之外干扰信号的衰减抑制能力。
1
由非线性器件的三次方项引起的互调失真称为三阶互调失真，由五次方项引起的互调失真称为五阶互调失真。
2
可以在互调失真比和三阶互调截点两个指标中，选一个来衡量放大器的互调失真程度。
1
通常用“三阶互调截点IP3”(Thirdorder intercept point)来说明三阶互调失真的程度。三阶互调截点IP3定义为三阶互调功率达到和基波功率相等的点，此点所对应的输入功率表示为IIP3，此点对应的输出功率表示为OIP3(一般在放大器中常用OIP3作为参考，在混频器中常用IIP3作为参考)。
第2章 射频小信号放大器电路
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射频小信号放大器的特点和主要技术指标
射频小信号放大器的特点
射频小信号放大器的主要技术指标
射频小信号调谐放大器电路
LC调谐回路
小信号放大器基本设计
小信号放大器设计VSRb2ReRcRb1RLC1C2+VCCVo+-图1 首先画出此电路的微变等效电路VSRcRLRb1Rb2rbeReIbβIiIbIb1Ib2+Vbe +-Ic图2首先此电路的输入电阻由定义式：0|==Vo iii I V R ，0=Vo 也即输出短路。
由图所示： ))1(//(//)])1(//(//[2121e be b b i iie be b b i i i R r R R R I I R r R R I V R ββ++=⋅++==输入电阻：我们来看此电路的输出电阻定义式：∞===L R Vi tto I V R ,0| 输出电阻的定义：输入信号源短路，负载开路（即不接负载），再 在输出端外加激励电压源t V ，此时在输出端对应着一个输出电流t I 。
由于输入信号源短路，be r 没有电流流过，也即0=⋅b i β，此时的输出电阻为c o R R = 这一个首先记住，输入电阻，输出电阻对以后分析电路很重要，以后再提。
首先我们分析这一种共射电路电压放大倍数和什么因数有关。
ie be b b L c b i o V I R r R R R R i I V A ⋅++⋅==)])1(//(//[)//(21ββ。
由此关系失可知b b b i I I I I ++=21这三者电流之和，假设21,b b R R 的阻值如果取的足够大，则流过21,b b R R 的电流很少，这就意味着全部电流流进三极管，近似满足关系b i I I =那么原始就可写成：))1(()//())1(()//(e be L c b e be L c b i o V R r R R I R r R R I I V A ββββ++⋅=++⋅==只要将21,b b R R 取得足够大，V A 就会相对提高。
如果式中分母e R )1(β+去掉，则上式V A 的放大倍数会进一步提高，此时我们的想法还是 如果将e R 交流短路的话，此方案完全可行（只要电容取得 大点）VSRcRLRb1Rb2rbeIbβIiIbIb1Ib2+Vbe +-Icbc地Vi +-图3此时我们看到，在e R 并联这一电容的话，可以看到如下好处 b 的动态电阻只有be r 了，也即b 和地间的电阻相对之前大大减小②之前1b R 和2b R 是相对于e be R r )1(β++要取大一些，一般5－9倍（也即])1()[95(]min[2,1e be b b R r R R β++-≈。
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题目:设计一个射频小信号放大器概述高频小信号放大器是通信设备中常用的功能电路，它所放大的信号频率在数百千赫至数百兆赫。
高频小信号放大器的功能是实现对微弱的高频信号进行不失真的放大，所谓小信号,一是信号幅度足够小,使得所有有源器件(晶体三极管,场效应管或IC)都可采用二端口Y参数或线性等效电路来模型化;二是放大器的输出信号与输入信号成线性比例关系.从信号所含频谱来看，输入信号频谱与放大后输出信号的频谱是相同的。
高频小信号放大器的分类：按元器件分为：晶体管放大器、场效应管放大器、集成电路放大器;按频带分为：窄带放大器、宽带放大器;按电路形式分为：单级放大器、多级放大器;按负载性质分为：谐振放大器、非谐振放大器;.高频小信号谐振放大器除具有放大功能外,还具有选频功能,即具有从众多信号中选择出有用信号,滤除无用的干扰信号的能力.从这个意义上讲,高频小信号谐振放大电路又可视为集放大,选频一体,由有源放大元件和无源选频网络所组成的高频电子电路.主要用途是做接收机的高频放大器和中频放大器.其中高频小信号调谐放大器广泛应用于通信系统和其它无线电系统中，特别是在发射机的接收端，从天线上感应的信号是非常微弱的，这就需要用放大器将其放大。
高频信号放大器理论非常简单，但实际制作却非常困难。
其中最容易出现的问题是自激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。
本文以理论分析为依据，以实际制作为基础，用LC振荡电路为辅助，来消除高频放大器自激振荡和实现准确的频率选择；另加其它电路，实现放大器与前后级的阻抗匹配。
2电路的基本原理图2-1所示电路为共发射极接法的晶体管高频小信号单级单调谐回路谐振放大器。
它不仅要放大高频信号，而且还要有一定的选频作用，因此，晶体管的集电极负载为LC并联谐振回路。
在高频情况下，晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数等会影响放大器输出信号的频率或相位。
晶体管的静态工作点由电阻R b1、R b2及Re决定，其计算方法与低频单管放大器相同。
图2-1高频小信号谐振放大器3电路设计方案高频小信号调谐放大器简述：高频小信号放大器的功用就是无失真的放大某一频率范围内的信号。
按其频带宽度可以分为窄带和宽带放大器，而最常用的是窄带放大器，它是以各种选频电路作负载，兼具阻抗变换和选频滤波功能。
对高频小信号放大器的基本要求是：(1)增益要高，即放大倍数要大。
(2)频率选择性要好，即选择所需信号和抑制无用信号的能力要强，通常用Q 值来表示，其频率特性曲线如图-1所示，带宽BW=f2-f l=2△f0.7，品质因数Q=fo/2△f0.7。
图3-1谐振放大器的频率特性曲线(3)工作稳定可靠,即要求放大器的性能尽可能地不受温度,电源电压等外界因素变化的影响,内部噪声要小,特别是不产生自激,加入负反馈可以改善放大器的性能。
图3-2 反馈导纳对(4)前后级之间的阻抗匹配,即把各级联接起来之后仍有较大的增益,同时,各级之间不能产生明显的相互干扰。
根据上面各个具体环节的考虑设计出如图3-3所示的总体改进电路图图3-3 改进后的高频小信号谐振放大器4重要电路分析及功能高频小信号谐振放大器与低频放大器的电路基本相同（如图2-1所示）。
其中变压器T2的初级线圈为接收机前端选频网络的一部分，经次级线圈耦合后作为放大器的输入信号，输出端也采用变压器耦合方式来实现选频和输出阻抗匹配。
Cb与Ce为高频旁路电容，提供交流通路。
本放大器的高频等效电路如图4-1所示：图4-1 调谐放大器的高频等效电路电路中并联振荡回路两端间的阻抗为其中R是和电感串联的电阻，由于因此有：则并联回路两端电压为：所以，当时Vm有最大值，即回路谐振时输出电压最大。
实际制作中对基本电路的改进：由于高频电路放大电路常常会自激振荡，也容易受各种因素的干扰，并且各级间很难实现阻抗匹配，所以要对基本电路进行适当的改进。
放大器内部电路的改进及理论依据：如图4-2所示，增加R e1形成交流负反馈，用以改变放大倍数和改善输出波形，由于电源内阻容易影响高频电路的工作，所以电源下端要接LCΠ型网络作为电源去偶电路，以减少干扰，提高放大器的性能。
另外还要特别注意的是，高频电路很容易产生自激振荡，所以需要想办法消除，最常用的办法是在LC谐振回路中串联一小电阻或并联一大电阻，从而减小回路的Q值，消除自激振荡。
图4-2外加射极跟随的高频放大器实际制作过程及谐振频率的快速确定：高频放大器制作中最关键也是最难的就是选取恰当的电感和电容值，使电路谐振。
谐振时有ωC=1/ωL，通过计算可以确定LC的值，但实际电路与理论计算往往相差很大，甚至能相差十几倍到几十倍，这就需要一定的操作技巧。
以33MHz放大器为例，经计算得电感为4.7uH时选用5-25pF的可调电容完全可以达到谐振频率，但接好电路后很少能够调到30MHz。
多次实验表明，实际振荡频率一般小于计算得频率，这就要用其他办法来确定放大器的谐振频率。
一个比较好的办法就是借助LC振荡电路来实现谐振。
如图4-3所示，此电路为共基组态的“考毕兹”振荡器，原理不再赘述，下面说明如何利用本电路：可调电容Cx选用和放大器电路中同一规格的，电感Lx 是放大器中变压器接入谐振回路的电感值，由于本电路仅由Lx和Cx决定，但在实际电路中电容对电路的谐振频率的影响远远没有电感明显，因而先选定电容（5-20pF可调），则频率为33MHz时，用一外径较大的磁芯（其中磁芯的Q值一定要高，否则高频损耗太大，放大器就不能放大），然后用漆包线手工绕制电感（若要大批量生产，可把绕好的做样品），绕适当的圈数后再用高频Q表测量其电感值大小，不断改变其圈数，使Lx基本达到要求（4Uh左右），然后把绕制好的电感作为Lx接入图4-2所示的电路中，再用示波器测量此电路的震荡频率，调节Cx，看震荡频率是否为33MHz，若不是，则相应的减少或增加变压器（即接入的电感）的圈数，直到其频率为所要求的为止，最后再按照要求的比例（常用3：1）来绕变压器的次级线圈。
图4-3共基组态的“考毕兹”振荡器5 主要性能指标及测量方法5.1 主要性能指标中心频率就是调谐放大电路的工作频率，一般在几百kHz到几百MHz。
它是根据设备的整体指标确定的，是调谐放大器的主要指标，是设计放大电路时选择有源器件和计算谐振回路元件参数的依据。
5.1.1电压增益增益表示了放大电路对有用信号的放大能力，通常用在中心频率上的电压增益和功率增益来表示。
电压增益根据定义，由上图得从等效关系可知则放大器谐振时，对应的谐振频率为则通常，在电路计算时，电压增益用其模表示，则可表示为5.1.2通频带为了保证频带信号无失真地通过放大电路,要求其增益频率响应特性必须有与信号带宽相适应的平坦宽度。
放大电路电压增益频率响应特性由最大值下降3dB时，对应的频率宽度为放大器的通频带，通常以BW表示。
通频带的定义是时对应的为放大器的通频带。
根据定义得则5.1.3选择性选择性是指对通频带之外干扰信号的衰减能力，有两种表示方法：一种是用矩形系数来说明邻近波带选择性的好坏；另一种是用抑制比来说明对带外某一特定干扰频率信号的抑制能力。
5.1.4工作稳定性工作稳定性是指当放大器电路的工作状态、元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要性能的稳定程度。
不稳定现象表现在增益变化、中心频率偏移、通频带偏移和谐振曲线变形等方面。
引起不稳定的原因主要是由于寄生反馈作用的结果。
为了消除或者减少不稳定现象，必须尽可能找出寄生反馈的路径，消除一切可能产生反馈的因素。
5.1.5噪声系数噪声系数是用来描述放大器本身产生噪声电平大小的一个参数。
放大器本身产生噪声电平的大小，对所传输信号，特别是对微弱信号的影响是极其不利的。
上述各个指标相互关联而又相互矛盾，需要根据实际情况确定其主次，进行合理设计。
5.1.6 谐振曲线放大器的谐振曲线是表示放大器的相对应电压增益与输入信号频率的关系。
由上式可得对谐振放大器来讲，通常讨论的f与f0相差不大，可认为f在f0附近变化，则式中，，称为一般失谐。
令，称为广义失谐。
代入上式得取模得下面是谐振特性的两种表示形式：图5-1放大器的谐振特性5.1.7 放大器的矩形系数矩形系数的定义是其中，是时所对应的频带宽度，即故根据矩形系数的定义得6电路参数的计算6.1 设置静态工作点6.2 计算谐振回路参数下面计算4个y参数，故模回路总电容为再计算回路电容，取标称值62Pf输出耦合变压器Tr0的原边抽头匝数N1及副边匝数N3，即6.3 确定输入耦合回路及高频滤波电容高频小信号谐振放大器的输入耦合回路通常是指变压器耦合的谐振回路，如图2-1所示。
由于输入变压器Tri原边谐振回路与放大器谐振回路的谐振频率相等，也可以直接采用电容耦合，如图3-3所示。
高频耦合电容一般选择瓷片电容。
7 调试与仿真7.1 电路的装调与测试将上述设计的元器件参数值按照图所示电路进行安装。
先调整放大器的静态工作点，然后再调谐振回路使其谐振。
调整静态工作点的方法是，不加输入信号（Vi=0），将C1的左端接地，将谐振回路的电容C开路，这时用万能表测量电阻Re两端的电压，调整电阻R b1 =1.5V（I E=1mA）。
记下此时电路的R b1值及静态工作点V BQ、V CEQ、V EQ、使VEQ及I。
EQ调谐振回路使其谐振的方法是，按照图7-1所示的测试电路接入高频电压表V1、V2，直流毫安表mA及示波器。
再将信号发生器的输出频率置于fi=10MHz，输出电压Vi=5mA。
为了避免谐振回路失谐引起的高反向电压损坏晶体管，可先将电源电压+Vcc降低，如使+Vcc=+6V。
调输出耦合变压器的磁芯使回路谐振，即电压表V2的指示值达到最大，毫安表mA为最小且输出波形无明显失真。
回路处于谐振状态后，再将电源电压恢复+12V。
在放大器处于谐振状态下测量各项的技术指标，如电压放大倍数Avo、通频带BW及矩形系数Kr0.1，其测量方法如前所述。
若这些指标的测量值与设计要求值相差较远，则应根据他们的表达式进行分析。
如果电压放大倍数Avo较小，则可以通过调整静态工作点Q或接入系数P1、使Avo增大或更换较大的晶体管。
由于分布参数的影响，放大器的各项技术指标满足设计要求后的元器件参数值与设计计算值有有一定的偏离，需要反复调整输出耦合变压器的磁芯位置才能使谐振回路处于谐振状态。
采用图所示的测量方法判断回路的谐振状态不太准确，易产生测量误差，较好的方法是采用扫频测量仪测量回路的谐振曲线。
由于工作频率较高，高频小信号放大器容易受到外界各种信号的干扰，特别是射频干扰。
通常采取的措施是把放大器装入金属屏蔽盒内（屏蔽盒与地线应接触良好）。
7.2电路仿真7.2.1利用EWB绘制出如图所示的仿真实验电路图7-1 仿真电路7.2.2按图设置各元件的参数，打开仿真开关，从示波器上观察检波器输出波形以及输入信号的关系。