放大器增益及稳定性
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TOPIC 10
射频/微波放大器 增益及稳定性
主要内容
放大器的基本原理
放大器的分类 放大器的特性指标
放大器的功率关系 放大器的功率增益 放大器的稳定性判定
稳定性判别圆 绝对稳定 有条件稳定 稳定性措施
RF/MW放大器的基本原理
放大器是无线收发机中的重要组成部件。 类似于低频放大器，RF/MW放大器电路是
求出输出端入反射系数：
out
S22
Fra Baidu bibliotek
S21S12s 1 S11s
转换功率增益
应用Γin、Γout的表达式，转换功率增益可以
改写成：
GT
S21 2 (1 L 2 )(1 s 2 ) 1 outL 2 1 S11s 2
GT的物理意义是：插入放大器后，负载实际 得到的功率是无放大器时可能得到的最大功 率的多少倍。
中功率放大器、大功率放大器。
按信号的强弱： 小信号放大器 大信号放大器
按工作范围： 宽带放大器 窄带放大器
按电路组态工作点的位置： A(甲)类、B(乙)类、C（丙）类……等
小信号放大器的性能指标
增益和增益平坦度（以dB表示） 工作频率及带宽（单位Hz） 稳定性 噪声系数（以dB表示） 输出功率（单位dBm） 输入输出端口匹配( 反射系数或驻波比) 直流工作电压和电流（单位V和A） 其他参数：
1 S
(1 S
)2
K
]
bS 1 1 1S
放大器的功率关系
所以，放大器的入射 波功率：
Pinc
1 2
a1
2
1 2
bs 2 1 ins
2
显然，放大器输入端 的实际输入功率应为 入射波功率减去反射 波功率，即:
Pin
1 2
a1
2
1 2
b1
2
1 2
a1
2
1 2
a1in
2
1 2
a1
2 (1
in
2)
1 2
(1
in
2)
in s
1 bs 2 2 1 s
2
可见，信号源资用功率与Γs有关。
放大器的功率关系
对于输出端口，应用同样的原理分析。
已知a2是放大器端口2的入射波，但对负载来说
它是反射波，所以有：a2 b2L
又由S参量定义，b2 S21a1 S22 , a2 S21a1 S22b2L
放大器的指标由其在特定偏置条件下的S参量确定。
放大器的功率关系
如果把两个匹配网络分别归入信号源和负载阻抗中 ，则放大器电路可以简化如下图。
由此模型分析放大器的功率关系。
放大器的功率关系
设信号源阻抗为 Z s ，匹配
网络阻抗为 Z 0 ，则信号源
的归一化电压： bs
Vs Z0 Zs Z0
bs 2 1 ins
2
(1
in
2)
放大器的功率关系
如果放大器的输入阻抗与信号源的阻抗共轭匹
配，即:
Zin
Z
s
，或
in s
。则信号源到放大
器之间有最大功率传输。
在共轭匹配下信号源传给负载（放大器）的最 大功率定义为信号源的资用功率（记作PA）：
PA
Pin
in s
1 2
bs 2 1 ins
2
GT反映了晶体管S参数和网络输入、输出端 匹配程度对增益的影响。
单向转换功率增益
如果忽略放大器反馈的影响，即认为S12=0，则 Γin=S11，Γout=S22，这时有：
a1 0
s12
b1 a2
a1 0
[ b ]=[ s ] [ a ]
b1=S11a1+S12a2
ai、bi分别为输入、输出信号的振幅大小。 b2=S21a1+S22a2
放大器的网络模型
下图为典型单级放大器，其输入端接信号源，输出 端接负载。
输入、输出匹配网络可用于减小有害反射从而增加功率 流容量。
为了获取稳定的增益，其基本原理相同。 在RF/MW放大器电路中通常使用二端口网
络进行描述，用S参量表述晶体管的特性， 因此其分析和设计也是基于S参量和二端口 网络。 对射频电路而言，要特别关注输入端与输出 端的阻抗匹配问题。
RF/MW放大器的分类
按用途： 低噪声放大器 中频放大器 可变增益放大器 功率放大器
整理得： b2
S21a1 1 S22L
因此，负载的输入功率（即负载吸收的功率）：
PL
1 2
b2
2
1 2
a2
2
1 2
b2
2
(1
L
2)
1 2
S21a1 2 1 S22L
2
(1
L
2)
放大器的功率增益
射频微波晶体管放大器功率增益是管子S参数、信号 源阻抗和负载阻抗的函数。
信号源阻抗、负载阻抗与放大器的匹配状态不同时， 所得功率增益是不同的，通常有：
在输出端口接ZL负载时，ΓL＝a2 / b2，代入S参 量公式，有：b1 S11a1 S12b2L , b2 S21a1 S22b2L
求出输出端入反射系数：in
b1 a1
S11
S21S12L 1 S22L
同理，当输入端口接源阻抗Zs时，由
b1 S11b1s S12a2 , b2 S21b1s S22a2
/
Z0
已 知 b 1 是放大器输入端口
的反射波，但对信号源来
信号源
bS
a1
b1
双端口网络
1 bS1
S bS
说它是入射波。 b 1 被信号 源 Z s 再反射后变成了向放 大器入射的波。
bS1 2S
bS1S bS1 2S2
于是输入端口的入射波：
因为Γin=Γ1=b1/a1， a1
b1 bS1[1
bs 1 ins
线性度（动态范围）、交调失真、谐波、反向隔离等
放大器的二端口网络表示
所有放大器，不管其内部结构是什么，都可以 用线性二端口模型来描述。
当频率在RF频段以上时，通常采用S（散射）参
量来描述网络。
s11
b1 a1
a2 0
s21
b2 a1
a2 0
1 a1 b1
1'
[S]
a2 2 b2
2'
s22
b2 a2
转换功率增益：负载吸收功率与二端口网络输入端的资用 功率之比，与两端阻抗都有关，即：GT=PL/Pa。
实际功率增益：负载吸收功率与二端口网络输入端吸收功率 之比，与源阻抗无关，与负载阻抗有关，即：G=PL/Pin 。
资用功率增益：二端口网络输入资用功率与输出资用功率之 比，源端和负载端均共轭匹配，与源阻抗有关，与负载阻抗 无关。它是放大器增益的最大潜力，即：GA=Pavs/Pavs。
转换功率增益
负载吸收功率与信号源资用功率的比值称为 放大器的转换功率增益，即：
GT PL / PA
1 2
S21a1 2 1 S22L
2
(1
L
2)
1 bs 2 2 1 s 2
由 bs a1(1 ins )
GT
S21 2 (1 L 2 )(1 s 2 ) 1 S22L 2 1 ins 2
输入、输出反射系数
射频/微波放大器 增益及稳定性
主要内容
放大器的基本原理
放大器的分类 放大器的特性指标
放大器的功率关系 放大器的功率增益 放大器的稳定性判定
稳定性判别圆 绝对稳定 有条件稳定 稳定性措施
RF/MW放大器的基本原理
放大器是无线收发机中的重要组成部件。 类似于低频放大器，RF/MW放大器电路是
求出输出端入反射系数：
out
S22
Fra Baidu bibliotek
S21S12s 1 S11s
转换功率增益
应用Γin、Γout的表达式，转换功率增益可以
改写成：
GT
S21 2 (1 L 2 )(1 s 2 ) 1 outL 2 1 S11s 2
GT的物理意义是：插入放大器后，负载实际 得到的功率是无放大器时可能得到的最大功 率的多少倍。
中功率放大器、大功率放大器。
按信号的强弱： 小信号放大器 大信号放大器
按工作范围： 宽带放大器 窄带放大器
按电路组态工作点的位置： A(甲)类、B(乙)类、C（丙）类……等
小信号放大器的性能指标
增益和增益平坦度（以dB表示） 工作频率及带宽（单位Hz） 稳定性 噪声系数（以dB表示） 输出功率（单位dBm） 输入输出端口匹配( 反射系数或驻波比) 直流工作电压和电流（单位V和A） 其他参数：
1 S
(1 S
)2
K
]
bS 1 1 1S
放大器的功率关系
所以，放大器的入射 波功率：
Pinc
1 2
a1
2
1 2
bs 2 1 ins
2
显然，放大器输入端 的实际输入功率应为 入射波功率减去反射 波功率，即:
Pin
1 2
a1
2
1 2
b1
2
1 2
a1
2
1 2
a1in
2
1 2
a1
2 (1
in
2)
1 2
(1
in
2)
in s
1 bs 2 2 1 s
2
可见，信号源资用功率与Γs有关。
放大器的功率关系
对于输出端口，应用同样的原理分析。
已知a2是放大器端口2的入射波，但对负载来说
它是反射波，所以有：a2 b2L
又由S参量定义，b2 S21a1 S22 , a2 S21a1 S22b2L
放大器的指标由其在特定偏置条件下的S参量确定。
放大器的功率关系
如果把两个匹配网络分别归入信号源和负载阻抗中 ，则放大器电路可以简化如下图。
由此模型分析放大器的功率关系。
放大器的功率关系
设信号源阻抗为 Z s ，匹配
网络阻抗为 Z 0 ，则信号源
的归一化电压： bs
Vs Z0 Zs Z0
bs 2 1 ins
2
(1
in
2)
放大器的功率关系
如果放大器的输入阻抗与信号源的阻抗共轭匹
配，即:
Zin
Z
s
，或
in s
。则信号源到放大
器之间有最大功率传输。
在共轭匹配下信号源传给负载（放大器）的最 大功率定义为信号源的资用功率（记作PA）：
PA
Pin
in s
1 2
bs 2 1 ins
2
GT反映了晶体管S参数和网络输入、输出端 匹配程度对增益的影响。
单向转换功率增益
如果忽略放大器反馈的影响，即认为S12=0，则 Γin=S11，Γout=S22，这时有：
a1 0
s12
b1 a2
a1 0
[ b ]=[ s ] [ a ]
b1=S11a1+S12a2
ai、bi分别为输入、输出信号的振幅大小。 b2=S21a1+S22a2
放大器的网络模型
下图为典型单级放大器，其输入端接信号源，输出 端接负载。
输入、输出匹配网络可用于减小有害反射从而增加功率 流容量。
为了获取稳定的增益，其基本原理相同。 在RF/MW放大器电路中通常使用二端口网
络进行描述，用S参量表述晶体管的特性， 因此其分析和设计也是基于S参量和二端口 网络。 对射频电路而言，要特别关注输入端与输出 端的阻抗匹配问题。
RF/MW放大器的分类
按用途： 低噪声放大器 中频放大器 可变增益放大器 功率放大器
整理得： b2
S21a1 1 S22L
因此，负载的输入功率（即负载吸收的功率）：
PL
1 2
b2
2
1 2
a2
2
1 2
b2
2
(1
L
2)
1 2
S21a1 2 1 S22L
2
(1
L
2)
放大器的功率增益
射频微波晶体管放大器功率增益是管子S参数、信号 源阻抗和负载阻抗的函数。
信号源阻抗、负载阻抗与放大器的匹配状态不同时， 所得功率增益是不同的，通常有：
在输出端口接ZL负载时，ΓL＝a2 / b2，代入S参 量公式，有：b1 S11a1 S12b2L , b2 S21a1 S22b2L
求出输出端入反射系数：in
b1 a1
S11
S21S12L 1 S22L
同理，当输入端口接源阻抗Zs时，由
b1 S11b1s S12a2 , b2 S21b1s S22a2
/
Z0
已 知 b 1 是放大器输入端口
的反射波，但对信号源来
信号源
bS
a1
b1
双端口网络
1 bS1
S bS
说它是入射波。 b 1 被信号 源 Z s 再反射后变成了向放 大器入射的波。
bS1 2S
bS1S bS1 2S2
于是输入端口的入射波：
因为Γin=Γ1=b1/a1， a1
b1 bS1[1
bs 1 ins
线性度（动态范围）、交调失真、谐波、反向隔离等
放大器的二端口网络表示
所有放大器，不管其内部结构是什么，都可以 用线性二端口模型来描述。
当频率在RF频段以上时，通常采用S（散射）参
量来描述网络。
s11
b1 a1
a2 0
s21
b2 a1
a2 0
1 a1 b1
1'
[S]
a2 2 b2
2'
s22
b2 a2
转换功率增益：负载吸收功率与二端口网络输入端的资用 功率之比，与两端阻抗都有关，即：GT=PL/Pa。
实际功率增益：负载吸收功率与二端口网络输入端吸收功率 之比，与源阻抗无关，与负载阻抗有关，即：G=PL/Pin 。
资用功率增益：二端口网络输入资用功率与输出资用功率之 比，源端和负载端均共轭匹配，与源阻抗有关，与负载阻抗 无关。它是放大器增益的最大潜力，即：GA=Pavs/Pavs。
转换功率增益
负载吸收功率与信号源资用功率的比值称为 放大器的转换功率增益，即：
GT PL / PA
1 2
S21a1 2 1 S22L
2
(1
L
2)
1 bs 2 2 1 s 2
由 bs a1(1 ins )
GT
S21 2 (1 L 2 )(1 s 2 ) 1 S22L 2 1 ins 2
输入、输出反射系数