射频放大器

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：
Cin C jC
R in I in * (S11 S22 )*
S11
2
2
rin
S12 S 21 S 22 -
பைடு நூலகம்2 2
代入稳定条件：
可得： 整理得：
Cin rin 1
* S11 S 22 S12 S 21
第9章 射频放大器
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偏臵电路、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
能力 教学 要求 重点
2
1 V
2 L 2
2
S
S21 1 S
2 2
2
1
2 L 2
8Z 0
1 S22 L 1 Sin
传送到负载的最大功率：
PL,max PL
* out L

VS 8Z0
2
S21 1 S 1 S22
1
2 out
* 2 out


S21
2
1 S22 L
2


1 L
2

S21
2
S21 S12 L 1 S11 1 S22 L
2
1 S22 L
g P S21
2
2
其中 gP为比例系数：
gP GP S21
2
1 L S21S12 L 1 S11 1 S22 L
Pin
2Z 0

V1 2Z 0

1 in
2


VS
2
1 S
2 2
8Z 0 1 Sin

1 in
2

9
§9.1 射频放大器的相关理论
传送到负载的平均功率：
PL V2
2
2Z 0

V2 2Z 0
2

1 L
2
2Z
2
V1
0
2
S21
2
1 S22 L

1 gA S11
2

2

2 2 2
圆半径：
rA
1 2kgA S21S12 ga2 S12 S21 1 gA S11
GA S21
2


比例系数 g A 由下式确定：
gA 1 S
2
S S 1 S22 21 12 S 1 S11S
2
知识结构
放大器的稳定性
射频放大器的相关理论 射频放大器偏臵电路 射 频 放 大 器
射频放大器的功率增益
放大器的噪声系数圆 双极型晶体管偏臵网络 场效应晶体管偏臵网络 低噪声放大器简介
低噪声放大器主要技术指标
低噪声放大器设计
低噪声放大器基本电路 常见的LNA电路配臵 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
2 2 2
B2 1 S22 S11
2 2
C1 S11 S22
2
C2 S22 S11
最大增益与稳定因子k的关系为：
GTmax
S21 S12

k k2 1

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:
Gmsg S21 S12
1 S22 L
输出端口反射系数：
L S22
S12 S21S 1 S11S
2
（2）
由（1）和（2）可得： S
L
B1 B12 4 C1 2C1
B2 B22 4 C2 2C2
13
2
§9.1 射频放大器的相关理论
其中：
B1 1 S11 S22
1 S22 L

2
1 L
2
2
1 S22 L S11 L
15
§9.1 射频放大器的相关理论
将上式改写为负载反射系数 其中圆心坐标：
CP
L的圆方程形式，即：
L CP rP
gP S22 S11
1 gP S22
2
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偏臵电路、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。
1
本章目录
第一节 第二节 第三节 第四节 射频放大器的相关理论 射频放大器偏臵电路 低噪声放大器设计 功率放大器设计
1、稳定性判定圆 放大器稳定性边界条件：
in S11 S12 S21L S L 11 1 1 S22 L 1 S22 L S S S12 S21L 22 1 1 S11L 1 S11S
out S22
输出稳定圆
其中： S11S22 S12 S21 。
10 I B
20
§9.2 射频放大器偏置电路
9.2.2 场效应晶体管的偏臵网络 场效应晶体管的偏臵网络和双极型晶体管偏臵网络的拓扑结 构基本相同。由于场效应管的偏臵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臵网络
传输线偏臵
21
§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-noise amplifier，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 放大器能够工作的频率取决于晶体管的特征频率 fT ，常选择 fT 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。

2

2
圆半径：
rP
2 1 2kgP S12 S21 g0 S12 S21
1 gP S22
2

2

式中k为Rollett稳定因子。
16
§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： 其中圆心坐标：
CA
S CA rA
gA S11 S22
功率放大器的主要性能指标
功率放大器设计
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
3
§9.1 射频放大器的相关理论
9.1.1 放大器的稳定性 输入反射系数： 输出反射系数：
in S11
out S 22
S12 S 21 L 1 s22 L
S12 S21 L 1 S11 L
两类稳定性： (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 in 1 和 out 1。 (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 in 1 和 out 1。
4
§9.1 射频放大器的相关理论
L * out

PL,max PA

S21 (1 S )
2 2 2 1 S11S (1 out ) 2
工作功率增益：
(1 L S21 PL GP Pin (1 in 2 ) 1 S22 L
2 2 2
11
§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
为了保证中间电位 VX 为近似固定值，流过电阻 R1的电流 IX的 值至少为I B 的10倍，则： V V 7.8 78 kΩ R
CC X 1
R2
VX 2.2 2.44 kΩ I X I B 0.9 103
IX
R4
VCC VCE 5 200 Ω IC 10 103
（1）对于输出稳定性判定圆
输入稳定圆 输出稳定区与非稳定区
5
§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：
Cin rin 1
Cout rout 1
S11 1
时， out S平面上的绝对稳定条件 与
6
§9.1 射频放大器的相关理论
1 Sin
2
（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。
P (1 S ) S21 (1 L ) GT L 2 2 PA 1 Sin 1 S22 L
2 2 2
10
§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：
GA GT
S11
2
2
1
2
S
2
11

2 2

1 S22
2
S
11

2

4 S S 2 0 12 21
2
上式大括号中的表达式必须大于0，故可得：
k 1 S11 S22
2 2 2
2 S12 S21
1
7
§9.1 射频放大器的相关理论
双极型晶体管的无源偏臵电路
19
§9.2 射频放大器偏置电路
参照上图所示的无源偏臵电路，为双极型晶体管设计偏臵。已 V 知晶体管的工作状态为 VCC 10 V， CE 5 V，I C 10 mA。假定晶体 V 管的电流放大系数 100，BE 0.7 V 且 ICBO 0 。 解：偏臵电路的直流通路可简化成： 固定基流偏臵电路中，基极电流为：
单向化功率转换增益的原理图
单向化功率转换增益：
GTU 1 S
2
1 S11S
S21
2
1 L
2 2
1 L S22
12
§9.1 射频放大器的相关理论
（2）最大增益设计 实际的放大器电路设计中，当 S12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： S S11 S12 S21 L （1）
10 103 IB 0.1 mA 100 IC
R1
VCC VCE 5 49.5 1 I B 10.1
3
R2
VCE VBE 4.3 43 k IB 0.1 10 3
简化电路
R 假定VX 2.2 V ，则：

VX VBE VX VBE 1.5 =15 kΩ IB IC 0.1 103
用串联或并联的电阻稳定措施
8
放大器的反馈型稳定措施
§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：
S
Z S Z 0 Z S Z 0
V1
2
负载反射系数： L
2
Z L Z 0 Z L Z 0
平均输入功率：


F 从圆方程可以看出：当CF opt 时， Fmin 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 opt 的连线上；噪声系数越大，则圆心 CF 距离原点越近而 且半径 rF 越大。
18
§9.2 射频放大器偏置电路
9.2.1 双极型晶体管的偏臵网络 对于射频双极型晶体管的偏臵电路，常见的有固定基流偏臵 电路和基极分压射极偏臵电路两种，它们的拓扑结构如图所示：
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。 （3）串联反馈 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。
2 1 S11S
其中GA 是要求的资用功率增益。
17
§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：
S
opt N 1

N N 1 opt N 1

2

2
圆心：
CF
opt N 1
半径：
rF
N N 1 opt N 1
14
§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：
GP


1 L
2
2
1 in