第四章 微波晶體管放大器.ppt

1、微波晶體管放大器,概述,放大把微弱的電信號的幅度放大。 一個(gè)微弱的電信號通過放大器后，輸出電壓或電流的幅度得到了放大，但它隨時(shí)間變化的規(guī)律不能變，即不失真。,概述,常用的微波放大器,放大器主要技術(shù)參數(shù),1.增益（Gain） 對信號幅度放大能力,2.噪聲系數(shù)NF 放大器對信噪比的惡化,3.輸入/出反射系數(shù) 放大器與系統(tǒng)阻抗的匹配關(guān)系,4.輸出功率1dB壓縮點(diǎn) 放大器線性功率輸出能力,5.飽和輸出功率 放大器功率輸出能力,6.效率 DC-RF功率轉(zhuǎn)換能力,7.三階互調(diào)抑制度/三階互調(diào)交叉點(diǎn),概述,微波晶體管放大器的構(gòu)成,微波晶體管 封裝 裸管芯,匹配網(wǎng)絡(luò) 輸入匹配 輸出匹配,DC偏置網(wǎng)絡(luò),器件參數(shù)

2、 （S參數(shù)）,匹配電路設(shè)計(jì): 最大增益 最小噪聲,DC偏置網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),概述,晶體管器件的S參數(shù),用S參數(shù)表征晶體管特性優(yōu)勢明顯,微波晶體管放大器,其他參量（如y、h參量）大都表征網(wǎng)絡(luò)在開、短路狀態(tài)下電壓、電流關(guān)系；晶體管在開、短路狀態(tài)易于發(fā)生振蕩，不能得到合適的放大狀態(tài)電路參量； S參量的確定無需理想開短路要求，適合于分布參數(shù)電路系統(tǒng)； S參數(shù)是基于入射波和反射波的概念建立的，和實(shí)際器件工作狀態(tài)一致,晶體管S參數(shù)定義,端口電壓與端口電流用入射波和反射波表示：,引入歸一化波的概念：,晶體管器件的S參數(shù),各端口入射波和反射波功率可簡單表達(dá)：,晶體管S參數(shù)定義,晶體管器件的S參數(shù),反射系數(shù),傳輸系數(shù),

3、晶體管S參數(shù)與Zc1和Zc2有關(guān)，對不同特性阻抗的測量系統(tǒng)，得到的S參數(shù)不同； Zc1和Zc2稱為測量S參數(shù)的系統(tǒng)阻抗，一般為： Zc1=Zc2=50,單級放大器網(wǎng)絡(luò)分析,微波晶體管放大器,a1,a2,b1,b2,a1,a2,b1,b2,簡化網(wǎng)絡(luò)：,各端口反射系數(shù),單級放大器網(wǎng)絡(luò)分析,源反射系數(shù),負(fù)載射系數(shù),輸入反射系數(shù),輸出反射系數(shù),各端口反射系數(shù)決定了放大器各種匹配狀態(tài)工作狀態(tài),各端口反射系數(shù)表達(dá),單級放大器網(wǎng)絡(luò)分析,端口1加激勵(lì)信號源as , 端口2僅接負(fù)載,端口2加激勵(lì)信號源aL , 端口1僅接負(fù)載,各端口功率,單級放大器網(wǎng)絡(luò)分析,V1,I1,放大器輸入端加激勵(lì)源時(shí)，,其中，,定義信號

4、源歸一化波：,可得：,于是，,其中，,進(jìn)入晶體管輸入端功率,各端口功率,單級放大器網(wǎng)絡(luò)分析,V1,I1,進(jìn)入晶體管的功率為:,P1a為信號源資用功率,傳輸給負(fù)載的功率,單級放大器網(wǎng)絡(luò)分析,對于負(fù)載來說，晶體管輸出信號可由等效源表示,傳輸給負(fù)載的功率,單級放大器網(wǎng)絡(luò)分析,P2a為放大器資用功率,增益,單級放大器網(wǎng)絡(luò)分析,（a）工作功率增益,GP為放大器實(shí)際工作中功率增益的量度 GP僅與晶體管S參數(shù)和負(fù)載L有關(guān),增益,單級放大器網(wǎng)絡(luò)分析,（b）資用功率增益,Ga為放大器兩個(gè)端口共軛匹配時(shí)產(chǎn)生的功率增益 Ga僅與晶體管S參數(shù)和源S有關(guān),增益,單級放大器網(wǎng)絡(luò)分析,（c）轉(zhuǎn)換功率增益,Gt為放大器實(shí)際傳

5、送到負(fù)載的功率與信號源資用功率之比 Gt與晶體管S參數(shù)，源S，負(fù)載L有關(guān),在一般情況下:,穩(wěn)定性,單級放大器網(wǎng)絡(luò)分析,（一）網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性定義,設(shè)網(wǎng)絡(luò)某一端口的輸入阻抗是Z=R+jX,該端口對實(shí)數(shù)參考阻抗Zc的反射系數(shù)為：,當(dāng)R0時(shí)，|1，稱該端口絕對穩(wěn)定； 當(dāng)R0時(shí)，|1，稱該端口不穩(wěn)定。,只要網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)端口不穩(wěn)定，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都不穩(wěn)定； 判定穩(wěn)定性可由網(wǎng)絡(luò)端口的輸入阻抗是否存在負(fù)阻來確定,穩(wěn)定性,單級放大器網(wǎng)絡(luò)分析,（二）晶體管穩(wěn)定性,晶體管放大器絕對穩(wěn)定是指可選用任何實(shí)數(shù)源、負(fù)載阻抗,|S|1，|L|1，,晶體管放大器絕對的充要條件是,Ks為放大器的穩(wěn)定系數(shù)：,穩(wěn)定性,單級放大器網(wǎng)絡(luò)分析,晶

6、體管放大器在不穩(wěn)定條件下對源、負(fù)載阻抗的選擇:,(1)晶體管放大器輸入端口不穩(wěn)定時(shí)，,經(jīng)源再次反射進(jìn)入晶體管的入射波為:,a1,(2)晶體管放大器輸出端口不穩(wěn)定時(shí)，,噪聲系數(shù),單級放大器網(wǎng)絡(luò)分析,微波晶體管放大器噪聲來源:,熱噪聲:載流子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起的，與器件歐姆電阻相關(guān)； 散粒噪聲：由于電流流動(dòng)時(shí)載流子運(yùn)動(dòng)起伏產(chǎn)生，其大小與電流呈正比； 閃爍噪聲：半導(dǎo)體工藝及表面處理等引起的。,熱噪聲功率：,熱噪聲電壓：可用電阻R產(chǎn)生的噪聲電壓在fH-fL頻段內(nèi)表示,熱噪聲模型,噪聲系數(shù),單級放大器網(wǎng)絡(luò)分析,放大器輸入噪聲功率可等效為信號源內(nèi)阻產(chǎn)生的熱噪聲功率,微波晶體管放大器輸出噪聲是放大器輸入噪聲功率

7、和放大器自身產(chǎn)生的噪聲的組合,Te為放大器等效噪聲溫度,噪聲系數(shù)定義:信號通過放大器之后，由于放大器產(chǎn)生噪聲，使信噪比變壞；信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù),放大器自身產(chǎn)生的噪聲常用等效噪聲溫度Te來表達(dá)。噪聲溫度Te與噪聲系數(shù)NF的關(guān)系,式中，T0為環(huán)境溫度，通常取為300K。 根據(jù)公式，可以計(jì)算出常用的噪聲系數(shù)和與之對應(yīng)的噪聲溫度，如表所示。噪聲系數(shù)和噪聲溫度關(guān)系,單級放大器網(wǎng)絡(luò)分析,單級放大器網(wǎng)絡(luò)分析,多級級聯(lián)放大器噪聲系數(shù)表達(dá)為：,低噪聲放大器前級對噪聲系數(shù)的貢獻(xiàn)占絕對因素,單級放大器網(wǎng)絡(luò)分析,晶體管最小噪聲系數(shù),經(jīng)驗(yàn)公式表明，隨著工作頻率增加，微波場效應(yīng)晶體管具有比微波雙極晶體管更優(yōu)良的

8、噪聲系數(shù),晶體管等效為線性二端口網(wǎng)絡(luò)，噪聲系數(shù)表達(dá)為：,Rn線性二端口網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲阻抗; Ys=Gs+jBs信號源內(nèi)阻 Ysopt=Gsopt+jBsopt獲得最佳噪聲系數(shù)NFmin時(shí)的源導(dǎo)納,單級放大器網(wǎng)絡(luò)分析,晶體管最小噪聲系數(shù),晶體管等效為線性二端口網(wǎng)絡(luò)，噪聲系數(shù)還可表達(dá)為：,線性二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)完全由可測量的四個(gè)參數(shù)決定： Nfmin、N(或N)和sopt,微波晶體管放大器設(shè)計(jì),晶體管放大器的匹配網(wǎng)絡(luò),微波晶體管放大器設(shè)計(jì)的主要工作是得到合適的輸入、級間、輸出匹配網(wǎng)絡(luò),微波晶體管放大器,輸入匹配網(wǎng)絡(luò)：實(shí)現(xiàn)微波晶體管的輸入端口與信號源之間的匹配； 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)：實(shí)現(xiàn)微波晶體管的輸出

9、端口與負(fù)載之間的匹配； 級間匹配網(wǎng)絡(luò)：實(shí)現(xiàn)前后級微波晶體管的輸出端口與輸入端口的匹配；,獲取最佳功率增益、最佳噪聲系數(shù)、最佳增益平坦度,1,S,2,L,微波晶體管放大器設(shè)計(jì),微帶集成匹配網(wǎng)絡(luò),微波晶體管放大器,（a）并聯(lián)型匹配網(wǎng)絡(luò),主要用于滿足微波低端、窄帶需求(T型結(jié)的影響）,并聯(lián)枝節(jié)可以是終端開路也可以是終端短路；,根據(jù)電納補(bǔ)償要求和結(jié)構(gòu)需要來決定并聯(lián)枝節(jié)的開、短路情況，并聯(lián)枝節(jié)的阻抗和長度；,根據(jù)電導(dǎo)匹配要求，決定串聯(lián)線阻抗和長度（一般為g/4）,微波晶體管放大器設(shè)計(jì),匹配網(wǎng)絡(luò)類型,多級級聯(lián)可實(shí)現(xiàn)寬帶匹配,（b）串聯(lián)型匹配網(wǎng)絡(luò),串接短線實(shí)現(xiàn)復(fù)阻抗-實(shí)阻抗的變換,g/4線實(shí)現(xiàn)實(shí)數(shù)阻抗的變換

10、,可用于較高頻率,微波晶體管放大器設(shè)計(jì),微波晶體管放大器設(shè)計(jì)要點(diǎn),穩(wěn)定性是放大器設(shè)計(jì)的前提,分別選取合適的源、負(fù)載阻抗，使得放大器輸出端、輸入端穩(wěn)定,在晶體管不穩(wěn)定的情況下，可采用有耗網(wǎng)絡(luò)改善放大器的穩(wěn)定性。,匹配網(wǎng)絡(luò)選擇,最小噪聲匹配：s= sopt,最大功率增益匹配：s= 1*,輸入匹配網(wǎng)絡(luò),輸出匹配網(wǎng)絡(luò),最大功率增益匹配：L= 2*,級間匹配網(wǎng)絡(luò),按要求實(shí)現(xiàn)后級輸入阻抗與前級輸出阻抗之間的匹配，并實(shí)現(xiàn)前后級的隔直,增益平坦度和端口駐波比,微波晶體管放大器設(shè)計(jì),絕對穩(wěn)定情況下的設(shè)計(jì),1,S,2,L,單向情況下（S12=0）的設(shè)計(jì)步驟：,（2）當(dāng)S12=0時(shí)，,（1）判定器件穩(wěn)定性,（3）設(shè)

11、計(jì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)：,（4）設(shè)計(jì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)：,微波晶體管放大器設(shè)計(jì),絕對穩(wěn)定情況下的設(shè)計(jì),1,S,2,L,雙向情況下（S120）的設(shè)計(jì)步驟：,（2）當(dāng)S12 0時(shí)，,(一)按最小噪聲系數(shù)設(shè)計(jì),（1）設(shè)計(jì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)：,（3）設(shè)計(jì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)：,微波晶體管放大器設(shè)計(jì),絕對穩(wěn)定情況下的設(shè)計(jì),1,S,2,L,雙向情況下（S120）的設(shè)計(jì)步驟：,（二）按最大功率增益設(shè)計(jì),（1）按共軛匹配要求得到輸入/出匹配網(wǎng)絡(luò)反射系數(shù)：,（2）設(shè)計(jì)輸入/出匹配網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)S0與SM 、LM與L0之間的匹配,微波晶體管放大器設(shè)計(jì),潛在不穩(wěn)定條件下的設(shè)計(jì),1,S,2,L,S和L 的選擇受放大器穩(wěn)定性限制：,（2）設(shè)計(jì)放大器輸

12、出匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，要保證放大器輸入口穩(wěn)定：在L 平面上穩(wěn)定區(qū)選取L；,（3）設(shè)計(jì)放大器輸入匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，要保證放大器輸出口穩(wěn)定：在S 平面上穩(wěn)定區(qū)選取S；,（1）保證增益要求和噪聲系數(shù)要求:,GGMin; NFNFMax,潛在不穩(wěn)定條件下的設(shè)計(jì),1,S,2,L,保證功率增益GPGMin的設(shè)計(jì)步驟,（1）選擇晶體管輸入口穩(wěn)定且保證增益的L：,（3）判定晶體管輸出端穩(wěn)定性,（2）確定輸入匹配網(wǎng)絡(luò)S：,（4）,潛在不穩(wěn)定條件下的設(shè)計(jì),1,S,2,L,保證噪聲系數(shù)NFNFMax的設(shè)計(jì)步驟,（1）選擇晶體管輸出口穩(wěn)定且保證噪聲的S：,（3）判定晶體管輸入端穩(wěn)定性,（2）確定輸出匹配網(wǎng)絡(luò)L：,（4）,微波晶體管

13、放大器設(shè)計(jì),多級放大器設(shè)計(jì),多級放大設(shè)計(jì)簡便，設(shè)計(jì)效率高， 可任意增加級數(shù)（適合n3） 但結(jié)構(gòu)松散,模塊化設(shè)計(jì)方案,每一級單獨(dú)設(shè)計(jì)，級間由50線連接,一體化設(shè)計(jì)方案,不便任意增加級數(shù)（適合n3） 結(jié)構(gòu)緊湊,每一級放大器不是單獨(dú)設(shè)計(jì)，前后級晶體管匹配和級聯(lián)由同一級間匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn),微波晶體管放大器設(shè)計(jì),合理選取匹配網(wǎng)絡(luò)，得到寬帶響應(yīng)：,帶寬和帶內(nèi)頻響（平坦度）,在頻帶高端按共軛匹配設(shè)計(jì)； 頻率低端因失配使放大器增益降低,增強(qiáng)穩(wěn)定性,在晶體管器件端口串、并聯(lián)電阻，按新的S參數(shù)設(shè)計(jì)。,晶體管|S21|2隨頻率增加而下降；,采用阻性匹配網(wǎng)絡(luò)增加穩(wěn)定性；,微波寬帶放大器,平衡式放大器 反饋式放大器 有源匹配放大器 分布式放大器,微波晶體管放大器,微波寬帶放大器,平衡式放大器,由90電橋?qū)崿F(xiàn)兩路放大器合成輸出；,放大器 電橋,兩路放大信號同相疊加，輸出功率倍增,在輸入/出口兩路反射波反相抵消，可實(shí)現(xiàn)良好的輸入、輸出駐波比,要求兩路信號具有良好的一致性,微波寬帶放大器,反饋式放大器,在晶體管漏柵之間并接RL串聯(lián)支路，實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋,降低器件低端增益，實(shí)現(xiàn)多倍頻程放大,增強(qiáng)穩(wěn)定性,僅適應(yīng)于低頻放大器,微波寬帶放大器,有源匹配放大器,匹配網(wǎng)絡(luò)中采用有源器件，實(shí)現(xiàn)大阻抗變換比的寬帶匹配,電路復(fù)雜，匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)難度大 多用于10GHz