第四章微波固态电路电子科大——微波晶体管放大器

a’1
sb1 s 1a1 a1
1 ＜a1，则该输入端口稳定 若 s 1 ＜ 1， s ＜ ，即a1 1
(2)晶体管放大器输出端口不稳定时， 1 若 L2 ＜ 1， L ＜ ，则输出端口稳定 2 电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义
k
单级放大器网络分析
式中，C1 S22 S11Βιβλιοθήκη BaiduD
GP为放大器实际工作中功率增益的量度 GP仅与晶体管S参数和负载L有关
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单级放大器网络分析
增益
（b）资用功率增益
P2 a P 1a S21
2
Ga

1 2
2
2

1 s
2
2
1 S22 1 s 1 2
单级放大器网络分析
各端口功率 • 进入晶体管输入端功率
放大器输入端加激励源时， I1
V1
Vs Zs I1 V1
其中， I1 Ii1 I r1 和V1 Vi1 Vr1 于是，
Vs Zc Zs V1 I1 Zc Zc 1 zs a1 s b1
2 2 2 2
1 L
2 2
1 2 L
a0
2
仅当输出端共轭匹配（L 2）时，
P2 P2 a
1 1 L
2
aO
2
S21 (1 2 ) 1 S22 1 s 1
* 2 2 2
2
2
as
P2a为放大器资用功率
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2 2 2 2
V1
1 1
2 2
1 s 1
as
2
仅当输入端共轭匹配（1 s）时，
P 1 P 1a
1 1 s
2
as
2
P1a为信号源资用功率
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单级放大器网络分析
• 传输给负载的功率
对于负载来说，晶体管输出信号可由等效源表示


Z Zc R Z c jX Z Z c R Z c jX
R Zc X 2 2 2 R Z X c
2
当R>0时，||＜1，称该端口绝对稳定； 当R＜0时，||＞1，称该端口不稳定。
只要网络中有一个 端口不稳定，则整 个网络都不稳定； 判定稳定性可由网 络端口的输入阻抗 是否存在负阻来确 定
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概述
微波晶体管放大器的构成
微波晶体管 • 封装 • 裸管芯 匹配网络 • 输入匹配 • 输出匹配 DC偏置网络 器件参数 （S参数） 匹配电路设计: 最大增益 最小噪声 DC偏置网络设 计
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• 各端口入射波和反射波功率可简单表达：
2
ak
Vik Vrk 2 2 2 Z ck I ik Pik； bk Z ck I rk Prk Z ck Z ck
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2
2
晶体管器件的S参数
晶体管S参数定义
b1 S11 S12 a1 b1 =S11a1 S12 a2 or b2 S21 S22 a2 b2 =S21a1 S22 a2
单级放大器网络分析
增益
（c）转换功率增益
S 21
2
P Gt 2 P 1a

1 s
2
2

1 L
2
2
1 S 22 L 1 s 1

S 21
2

1 s
2

1 L
2

2
1 S11 s 1 S22 L S12 S21 s L
S21 (1 L 2 ) S21 (1 L 2 ) a0 a1 as 1 L S22 (1 L S22 )(1 s 1 )
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单级放大器网络分析
传输给负载的功率
P2 b2 a2 (1 L ) b2
微波晶体管放大器
晶体管器件的S参数
用S参数表征晶体管特性优势明显 其他参量（如y、h参量）大都表征网络在开、短路状态下电 压、电流关系；晶体管在开、短路状态易于发生振荡，不能 得到合适的放大状态电路参量； S参量的确定无需理想开短路要求，适合于分布参数电路系 统； S参数是基于入射波和反射波的概念建立的，和实际器件工 作状态一致
• 热噪声功率： N
玻尔兹曼常数：k 1.380 1023 J/K， T电阻噪声温度，B噪声带宽
v
2 n , rms
4R 电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义
kTB
单级放大器网络分析
噪声系数
放大器输入噪声功率可等效为信号源内阻产生的热噪声功率
Nin kT0 B
定义信号源归一化波： Vs as Zc 1 zs 可得：
as as a1 sb1 和a1 1 s 1
其中， zs Zs Zc 为归一化源阻抗
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单级放大器网络分析 I
1
各端口功率 进入晶体管的功率为:
P (1 1 ) a1 1 a1 b 1
1 S11 S 22 D Ks为放大器的稳定系数： K s 2 S12 S 21
2
2
2
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单级放大器网络分析
稳定性
• 晶体管放大器在不稳定条件下对源、 负载阻抗的选择: (1)晶体管放大器输入端口不稳定时，
1 1； b1 1a1 经源再次反射进入晶体管的入射波为:
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概述
放大器主要技术参数
1.增益（Gain） 对信号幅度放大能力 2.噪声系数NF 放大器对信噪比的恶化 3.输入/出反射系数 放大器与系统阻抗的匹配关系 4.输出功率1dB压缩点 放大器线性功率输出能力 5.饱和输出功率 放大器功率输出能力 6.效率 DC-RF功率转换能力 7.三阶互调抑制度/三阶 互调交叉点
Gt为放大器实际传送到负载的功率与信号源资用功率之比 Gt与晶体管S参数，源S，负载L有关 在一般情况下: Gp Gt，Ga Gt
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单级放大器网络分析
稳定性
（一）网络稳定性定义 设网络某一端口的输入阻抗是Z=R+jX 该端口对实数参考阻抗Zc的反射系数为：
单级放大器网络分析
增益
（a）工作功率增益
2
S21 1 L S21 1 L P2 Gp 2 2 2 2 2 2 P 1 S ( S D ) 2 Re LC1 1 S 1 1 11 L 22 22 L 1

2


2


2

环境温度，T0 300K
微波晶体管放大器输出噪声是放大器输入噪声功率和放大器 自身产生的噪声的组合 Nout kGB(T0 Te ) Te为放大器等效噪声温度 噪声系数定义:信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声， 使信噪比变坏；信噪比下降的倍数就是噪声系数 Nout 1 T0 Te Te Sin Nin NF= = 1 Sout Nout Nin G T0 T0
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单级放大器网络分析
稳定性
（二）晶体管稳定性 • 晶体管放大器绝对稳定是指可选用任何实数源、负载阻抗 |S|≤1，|L|≤1， • 晶体管放大器绝对的充要条件是
1 S11 2 S12 S 21 2 1 S S12 S21 22 K 1 s
微波晶体管放大器
单级放大器网络分析
a1 a2
简化网络：
b1 a1
b2 a2
b1
b2
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单级放大器网络分析
各端口反射系数
• 源反射系数 • 负载射系数
Z s Zc s Z s Zc
• 输入反射系数
Z L Zc L Z L Zc
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晶体管器件的S参数
晶体管S参数定义 • 端口电压与端口电流用 入射波和反射波表示：
Vk Vik Vrk；I k Iik I rk
• 引入归一化波的概念：
（k 1, 2)
Vik Vrk ak Zck Iik；bk Zck I rk Zck Zck
• 输出反射系数
Z2 Zc 2 Z2 Zc
Z1 Z c 1 Z1 Z c
各端口反射系数决定 了放大器各种匹配状 态——工作状态
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单级放大器网络分析
各端口反射系数表达
• 端口1加激励信号源as , 端 口2仅接负载
a2 L b2 b1 S12 S21 L S11 D L 1 S11 a1 1 S22 L 1 S22 L

S21
2 2
2

1 s
2
2 2

1 S22 s ( S11 D ) 2 Re s C2
式中，C2 S11 S22 D
Ga为放大器两个端口共轭匹配时产生的功率增益 Ga仅与晶体管S参数和源S有关
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NF(dB) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 NF Te(K) NF 1.023 1.047 1.072 1.096 1.122 1.148 1.175 1.202 1.230 1.259 6.825 13.81 20.96 28.27 35.75 43.41 51.24 59.26 67.47 75.87 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 10 1.413 1.585 1.778 1.995 2.239 2.512 2.818 3.162 3.981 10.00
微波晶体管放大器
概述
ii
+
io
+
RS uS 信号源
+
+
+
ui +
放大电路
uo +
RL
负载
放大——把微弱的电信号的幅度放大。
一个微弱的电信号通过放大器后，输出电压或电流的幅度 得到了放大，但它随时间变化的规律不能变，即不失真。
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概述
常用的微波放大器
b2 a1 b1 a2

a2 0
Vi 2 0

a1 0
a1 0
Vi1 0
晶体管S参数与Zc1和Zc2有关，对不同特性阻抗的测量系统， 得到的S参数不同； 电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义 Zc1和Zc2称为测量 S参数的系统阻抗，一般为： Zc1=Zc2=50Ω
噪声系数
微波晶体管放大器噪声来源: • 热噪声:载流子不规则运动引起的，与器件欧姆电阻相关； • 散粒噪声：由于电流流动时载流子运动起伏产生，其大小与电流 呈正比； • 闪烁噪声：半导体工艺及表面处理等引起的。 热噪声模型 • 热噪声电压：可用电阻R产生的噪声电压在fH-fL频段内表示
vn,rms 4kTBR
• 端口1加激励信号源aL , 端 口1仅接负载 D det(S ) S S
11
S
a1 b1 S12 S21 S S22 D S b2 2 S22 a2 1 S11 S 1 S11 S
S21 S22
12
S11S22 S12 S21
电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义
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单级放大器网络分析
放大器自身产生的噪声常用等效噪声温度Te来表达。噪声温度 Te与噪声系数NF的关系
Te T0 ( NF 1)
式中，T0为环境温度，通常取为300K。 根据公式，可以计算出常用的噪声系数和与之对应的噪声温度，如 表所示。噪声系数和噪声温度关系
S11 S S 21
Vr 2 Vi1 Vr1 Vi 2 Z c1 Zc2 Zc 2 Z c1
S12 S22
• 反射系数
b S11 = 1 a1 S 22 = b2 a2
a2 0
• 传输系数
S21 = S12 =
Vi 1 0
i 2 0
V r1 Vi1 V Vr 2 Vi 2