第9讲 放大器设计ppt课件.ppt

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1、第8章放大器设计放大器的基本原理单级晶体管放大器设计MIC介绍射频与微波功率放大器7.1放大器的基本原理1.历史简述目前为止，我们已讨论过的元件和电路都是线性和无源的，但在实际的微波系统中，总是需要使用某种非线性的和有源的元件，包括晶体二极管、三极管以及真空电子管器件，可被用于信号检测、混频、放大、倍频、开关以及用作微波和RF信号源。早期无线电工作中，最早的检波二极管是触须式晶体检波器。用做检波器和放大器的真空电子管的出现使绝大多数无线电系统摒弃了这一元件，但后来Southworth在20世纪30年代进行的

2、波导实验仍使用了晶体检波器，因为在那个年代电子管检波器达不到如此高的频率。在20世纪20年代，为无线电应用还首先开发了变频和外差接收。随后，在二次世界大战期间，MIT辐射实验室把这些相同的技术应用到了微波雷达接收机的设计中，且采用晶体管检波器作为混频器，直到20世纪60年代微波固态器件出现重大进展之后，它才不再风光。人们发明了PIN二极管，并把它用于微波开关和相移器中。在1952年，Shockley开发出了场效应管（FET），并且第一批FET是制作在硅片上的。第一批微波GaAsFET开发于20世纪60年代后

3、期。此后，微波电路朝单片微波集成电路（MMIC）趋势发展，即把传输线、有源器件和其他元件集成到单片半导体基片上。第一批单一功能的MMIC是在20世纪60年代后期发展起来的，但更为复杂的电路、诸如多级FET放大器、3比特或4比特相移器、整体的发射接收雷达模块以及其他电路，现在已可加工成MMIC。当前的发展趋势是有更高性能、更低价格和更高复杂度的MMIC。在近代RF和微波系统中，放大是最基本和广泛存在的微波电路功能之一。早期的微波放大器依赖于电子管（诸如速调管和行波管）或基于隧道二极管或变容二极管的负阻特性的

4、固态反射放大器。但自20世纪70年代以来，固态技术惊人的进步和革新，导致今天大多数RF和微波放大器均采用晶体管器件，诸如Si或SiGeBJT,GaAsHBT,GaAs或InPFET，或GaAsHEMT。微波晶体管放大器具有结实、价格低、可靠和容易集成在混合和单片集成电路上等优点，并可在频率超过100GHz范围内，于需要小体积、低噪声系数、宽频带和中小功率容量的场合应用。2.放大器二端口功率增益放大器的增益和稳定性分析基于其二端口S参量。二端口功率增益定义功率增益：G=PL/Pin是耗散在负载ZL的功率与传送

5、到二端口网络的输入端功率之比，与ZL有关，而与Zs无关。可用增益：GA=Pavn/Pavs是来自二端口网络的可用功率与来自源的可用功率之比，求可用功率时，假定源和负载均共轭匹配，且与Zs有关，但与ZL无关。变换功率增益：GT=PL/Pavs是传送到负载的功率与来自源的可用功率之比，它与Zs和ZL均有关。图11.1带有常规源和负载阻抗的二端口网络若输入和输出都与二端口共轭匹配，则增益最大，且G=GA=GT.。三种功率增益的表示式：功率增益可用功率增益变换功率增益与衰减定义的比较工作衰减LA：LA=Pavs/P

6、L为来自源的可用功率与负载吸收功率之比，因此LA=1/GT。插入衰减Li：Li=PL0/PL为网络插入前负载吸收功率与网络插入后负载吸收功率之比(11-1)(11-2)(11-3)工作衰减LA与插入衰减Li间相差一个常数可见，当Zs=ZL时，LA=Li。变换功率增益在输入输出皆匹配时（Gs=GL=0），GT=

7、S21

8、2。此外若S12=0（或小到可以忽略），变换功率增益称为单向变换功率增益GTU：二端口功率增益的进一步讨论单级晶体管放大器可以用图11.2所示的电路模拟对于放大器的(11-4)(11-5)图1

9、1.2常用的晶体管放大器电路设计，最有用的增益定义是(11-3)所示的变换功率增益，该式考虑了源和负载均失配的情况，从(11-3)出发可定义输入匹配网络、晶体管自身和输出匹配网络的有效增益系数：若晶体管是单向的，即S12=0（或小到可以忽略），则Gin=S11,Gout=S22，单向晶体管增益GTU=GsG0GL：输入(11-6a)晶体管(11-6b)输出(11-6c)(11-7a)(11-7b)(11-7c)上面这些结果是用晶体管的S参量推导出来的，它还可以依据晶体管等效电路来获得增益的表达式。比如依据G

10、aAsFET等效电路可计算其共轭匹配条件下单向变换功率增益GTU，如图11.3所示：该式表明共轭匹配FET放大器的增益是按1/f2（或者6dB/倍频程）下降的有趣结果。图11.3单向FET等效电路和用于计算单向变换功率增益的源和负载终端(11-8)3.稳定性及稳定性圆如图11.2所示的电路中，假如输入或输出端口阻抗中有负实部，则该电路有可能发生振荡，这意味着

11、Gin

12、>1或

13、Gout

14、>1。因为Gin和Gout依