放大器的設(shè)計(jì)入門(mén)

射頻放大器設(shè)計(jì)入門(mén)Agenda?射頻放大器分類(lèi)?射頻放大器指標(biāo)?ADS輔助設(shè)計(jì)射頻放大器分類(lèi)射頻放大器按照其導(dǎo)通角的大小，可以分為：A類(lèi)，B類(lèi)，AB類(lèi)，C類(lèi)等。導(dǎo)通角對(duì)應(yīng)于一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)有電流流過(guò)負(fù)載的時(shí)間。線性區(qū)4形?人s形甲類(lèi)1囍射頻放大器分類(lèi)A類(lèi)：在整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)都有電流流過(guò)負(fù)載，導(dǎo)通角為360度，信號(hào)失真最小射頻放大器分類(lèi)B類(lèi)：在半個(gè)信號(hào)周期那有電流流過(guò)負(fù)載,導(dǎo)通角為180度射頻放大器分類(lèi)AB類(lèi)：結(jié)合了A類(lèi)和B類(lèi)工作狀態(tài)的特點(diǎn)，其導(dǎo)通角在180?360度之間A射頻放大器分類(lèi)C類(lèi)：導(dǎo)通角小于180度，輸出信號(hào)的失真最大射頻放大器分類(lèi)Question：既然A類(lèi)放大器失真最小，那為什么還需要讓放大器工作在別的狀態(tài)呢?射頻放大器分類(lèi)我們?cè)谠O(shè)計(jì)放大器的時(shí)候，還需要考慮倒效率的問(wèn)題。特別是現(xiàn)在的移動(dòng)設(shè)備，很多都是采用電池供電的，能量有限。A類(lèi)放大器的效率最髙只能到50%，

B類(lèi)能到78.5%，C類(lèi)理論上能到100%.實(shí)際設(shè)計(jì)中，效率和失真需要兼顧。射頻放大器指標(biāo)*增益*穩(wěn)定性?噪聲系數(shù)?帶內(nèi)波動(dòng)?輸入輸出駐波*非線性射頻放大器旨標(biāo)一增益?IoutJin，Is，■L在公式推導(dǎo)中，我們會(huì)大量使用到上面幾個(gè)符號(hào)。他們分別表示輸出、輸入、源，負(fù)載的反射系數(shù)，都是以50歐姆的特征阻抗歸一化的。射頻放大器指標(biāo)一增益?I"out，「in，I"s，「L為了書(shū)寫(xiě)的方便，本文檔用Gamma代替希臘字母r，ADS中也是這么使用的。在公式推導(dǎo)過(guò)程中，輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)將被并入源和負(fù)載，看作一個(gè)整體。因此,Gamma(s)—rs表示源和輸入匹配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的電路相對(duì)50歐姆特征阻抗的反射系數(shù)。Gamma(L)—rl也是同樣定義的。射頻放大器指標(biāo)一增益廠out，rin，廠s,廠L如果將放大器作單向化設(shè)計(jì)(S12=0),Gamma(in)和Gamma(out)敘是S11和S22.當(dāng)(S12*0)時(shí)，它們分別為:^2ir*i心rA.1一snr5射頻放大器指標(biāo)一增益?廠out,廠in，廠TLGamma(s)和Gamma(L)是獨(dú)立于放大器的，只和源、負(fù)載、輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)相關(guān)。Gamma(in)和Gamma(out)不但和放大器相關(guān)，還J^Gamma(s)、Gamma(L)<關(guān)系。射頻放大器指標(biāo)一增益增益：放大器最基本的指標(biāo)，其根本目的就是為電路提供一定的增益。放大器增益有三種定義：?轉(zhuǎn)換功率增益GY(TransducerPowerGain)?資用功率增益Ga(AvaiblePowerGain)?功率增益Gp(PowerGain)射頻放大器指標(biāo)一增益?轉(zhuǎn)換功率增益，負(fù)載吸收的功率信號(hào)源的資用功率這個(gè)定義應(yīng)該是我們平時(shí)使用最多的。其表示在不加外輸入輸出匹配的條件下，50歐姆負(fù)載處吸收的功率=源資用功率X轉(zhuǎn)換功率增益。射頻放大器指標(biāo)一增益?轉(zhuǎn)換功率增益（1I|2>|s21P（i-irtipi（l一Sjir$）（i—-Sjji2轉(zhuǎn)換功率增益和放大器，源反射系數(shù)、負(fù)載反射系數(shù)都有關(guān)系射頻放大器指標(biāo)一增益?資用功率增益放大器的資用功率Vja=-信號(hào)源的資用功率負(fù)載端口共軛匹配的情況下轉(zhuǎn)換功率增益就是資用功率增益，其他情況轉(zhuǎn)換功率增益都小于資用功率射頻放大器指標(biāo)一增益廣__IIf1—1r\|)4=

(i-i(Vi)11-?資用功率增益由于Gamma(out)只與Gamma(s)有關(guān)，當(dāng)源反射系數(shù)Gamma⑻確是之后，資用功率增益也就確定了。射頻放大器指標(biāo)一增益?資用功率增益資用功率增益只與源反射系數(shù)相關(guān)，在smith圓圖上，我們可以做出一組相對(duì)于Gamma(s)的等資用功率增益圓。例子詳見(jiàn)下文ADS仿真，推導(dǎo)過(guò)程請(qǐng)查詢相關(guān)書(shū)本，如：射頻電路設(shè)計(jì)一一理論與應(yīng)角。射頻放大器指標(biāo)一增益?功率增益負(fù)載吸收的功率Grf*=-放大器的輸入功率當(dāng)輸入共軛匹配的時(shí)候，功率增益等于轉(zhuǎn)換功率增益。其他情況功率增益都大于轉(zhuǎn)換功率增益。射頻放大器指標(biāo)一增益*功率增益口&r￡因?yàn)镚amma(in)只與Gamma(L)有關(guān)系，由上面的公式可知功率增益與Gamma(L)相關(guān)，與源反射系數(shù)無(wú)關(guān)。射頻放大器指標(biāo)一增益*功率增益功率增益只與負(fù)載反射系數(shù)相關(guān)，因此在smith圓圖上，我們可以做出一組相對(duì)與負(fù)載反射系數(shù)的等功率增益圓。例子詳見(jiàn)下文ADS仿真，推導(dǎo)過(guò)程請(qǐng)參考射頻電路設(shè)計(jì)…理論與應(yīng)用。射頻放大器指標(biāo)一穩(wěn)定性?放大器的穩(wěn)定性是其重要指標(biāo)，如果不穩(wěn)定，則工作時(shí)有可能自激而燒毀。*因此，放大器電路必須滿足的首要條件之一是在其工作頻段內(nèi)的穩(wěn)定性。身寸頻放大器指標(biāo)一穩(wěn)定性?放大器穩(wěn)定的條件是:|Gamma(s)|<1;|Gamma(L)|<1;|Gamma(in)|<1;|Gamma(out)|<1;射頻放大器指標(biāo)一穩(wěn)定性?在實(shí)際的電路中，源和負(fù)載的反射系數(shù)都小于1。因此，我們只要確保輸入輸出反射系數(shù)均小于1即可。i-slLi\射頻放大器指標(biāo)一穩(wěn)定性（r?-O+（r!-ct）:

=rL?我們先考察輸入反射系數(shù)，其穩(wěn)定的臨界條件為|Gamma(in)|=1。此方程的解Gamma(L)是一個(gè)圓。其圓方程為：其中上標(biāo)R和L分別代表實(shí)部與虛部。Cout代表圓心，Rout代表半徑。射頻放大器指標(biāo)一穩(wěn)定性?其4心坐標(biāo)為:-IA?Cox=半徑為:A=SllS22-Sl2S21身寸頻放大器指標(biāo)一穩(wěn)定性?同理，我們考察輸出反射系數(shù)，也能得到一個(gè)穩(wěn)定臨界條件的圓。(I?-cD:+UK)2

二dII-5^Ilz二I厶？身寸頻放大器指標(biāo)一穩(wěn)定性?由上面的推導(dǎo)可知，當(dāng)放大器的偏置條件確定后，其s參數(shù)確定，此時(shí)它的輸入輸出穩(wěn)定性圓也都確定下來(lái)了。?設(shè)計(jì)中我們需要做的就是調(diào)整源和負(fù)載的匹配電路，使其Gamma(L)和Gamma(s)落在輸入輸出穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)射頻放大器當(dāng)輸入輸出穩(wěn)定性圓在復(fù)平面上確定下來(lái)以后，我們?nèi)绾闻袛噱尘鼓膫€(gè)區(qū)域是穩(wěn)定的呢？________旨標(biāo)一穩(wěn)定性身寸頻放大器指標(biāo)一穩(wěn)定性*如上圖，虛線構(gòu)成的圓表示輸入反射系藪|Gamma(out)|=1也就是穩(wěn)舍性判斷的臨界圓。*實(shí)線構(gòu)成的圓是|Gamma(s)|=1的圓，實(shí)際電路中Gamma(s)均在圓內(nèi)，＜1。?一般放大器S22都＜1,我們這里也假定S22＜1。當(dāng)出現(xiàn)＞1的情況是，用下面的方法反推就可以了。身寸頻放大器指標(biāo)一穩(wěn)定性*判斷的方法是讓Gamma(s)=O,也就是看坐標(biāo)軸的原點(diǎn)有沒(méi)有落在虛線構(gòu)成的圓內(nèi)。*如果在圓內(nèi)，則穩(wěn)定區(qū)域?yàn)樘摼€圓和實(shí)線圓相交的區(qū)域。?如果在圓外，則穩(wěn)定區(qū)域?yàn)樘摼€圓和實(shí)線圓相交區(qū)域之外，但在實(shí)線圓之內(nèi)的區(qū)域。詳見(jiàn)下圖。射頻放大器指標(biāo)一穩(wěn)定性黑色為穩(wěn)定區(qū)，S22<1身寸頻放大器指標(biāo)一絕對(duì)穩(wěn)定?絕對(duì)穩(wěn)定是指在選定的工作頻率和偏置條件下，放大器在整個(gè)smith圓圖內(nèi)都處于穩(wěn)定狀態(tài)。若S11<1和S22<1,絕對(duì)穩(wěn)定的充分必要條件是：1-I5ul2-I5rl2+IAPllSi2llS2，r|Z\|<1厶=SllS22-S12821射頻放大器指標(biāo)一噪聲系數(shù)*對(duì)許多射頻放大器來(lái)說(shuō)，在低噪聲前提下對(duì)信號(hào)放大是系統(tǒng)的基本要求。但是，放大器的噪聲要求和其他參數(shù)，如穩(wěn)定性，增益等相沖突。例如，最小噪聲特性和最大增益就不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)。射頻放大器指標(biāo)一噪聲系數(shù)*為了權(quán)衡放大器的噪聲系數(shù)和增益，最好能在smith圓圖中同時(shí)標(biāo)出這兩個(gè)指標(biāo)。很幸運(yùn)的，我們?cè)趕mith圓圖上確實(shí)能畫(huà)出一組等噪聲系數(shù)圓，其中還有一個(gè)噪聲系數(shù)的最優(yōu)點(diǎn)。噪聲系數(shù)圓和源反射系數(shù)相關(guān)，與負(fù)載反射系數(shù)無(wú)關(guān)。*推導(dǎo)過(guò)程這里就不詳述了，有興趣可以查詢《射頻電路設(shè)計(jì)-理論與應(yīng)用》一書(shū)。射頻放大器指標(biāo)一噪聲系數(shù)?當(dāng)我們?yōu)榱双@得較優(yōu)的噪聲系數(shù)時(shí)，一般會(huì)設(shè)計(jì)成噪聲系數(shù)匹配。其方法是輸入端按最