第8章 放大器的穩(wěn)定性、增益和噪聲

1、射頻電路理論與設(shè)計(jì)射頻電路理論與設(shè)計(jì)（第（第2版）版）在放大器的設(shè)計(jì)中，需要考慮的因素在放大器的設(shè)計(jì)中，需要考慮的因素很多，其中最重要的就是穩(wěn)定性、增益和很多，其中最重要的就是穩(wěn)定性、增益和噪聲。本章將對(duì)上述問題的特性作系統(tǒng)討噪聲。本章將對(duì)上述問題的特性作系統(tǒng)討論，以便下一章集中討論各類放大器的設(shè)論，以便下一章集中討論各類放大器的設(shè)計(jì)。計(jì)。 放大器的穩(wěn)定性放大器的穩(wěn)定性8.1 放大器的增益放大器的增益8.2 輸入、輸出電壓駐波比輸入、輸出電壓駐波比8.3 放大器的噪聲放大器的噪聲8.4設(shè)計(jì)射頻放大器時(shí)，必須考慮電路的設(shè)計(jì)射頻放大器時(shí)，必須考慮電路的穩(wěn)定性，這一點(diǎn)與低頻電路的設(shè)計(jì)方法完穩(wěn)定性，這

2、一點(diǎn)與低頻電路的設(shè)計(jì)方法完全不同。由于反射波的存在，射頻放大器全不同。由于反射波的存在，射頻放大器在某些工作頻率或終端條件下有產(chǎn)生振蕩在某些工作頻率或終端條件下有產(chǎn)生振蕩的傾向，不再發(fā)揮放大器的作用，因此必的傾向，不再發(fā)揮放大器的作用，因此必須分析射頻放大器的穩(wěn)定性。須分析射頻放大器的穩(wěn)定性。8.1.1 穩(wěn)定準(zhǔn)則穩(wěn)定準(zhǔn)則放大器的二端口網(wǎng)絡(luò)如圖放大器的二端口網(wǎng)絡(luò)如圖8.1所示，在所示，在它的輸入端接有一個(gè)內(nèi)阻為它的輸入端接有一個(gè)內(nèi)阻為ZS的源的源VS，在，在它的輸出端接有負(fù)載它的輸出端接有負(fù)載ZL。 圖圖8.1 接有源和負(fù)載的放大器二端口網(wǎng)絡(luò)接有源和負(fù)載的放大器二端口網(wǎng)絡(luò)圖中傳輸線上有反射波傳輸

3、，源的反圖中傳輸線上有反射波傳輸，源的反射系數(shù)為射系數(shù)為S;負(fù)載的反射系數(shù)為負(fù)載的反射系數(shù)為L(zhǎng)；二端口；二端口網(wǎng)絡(luò)輸入端的反射系數(shù)為網(wǎng)絡(luò)輸入端的反射系數(shù)為in；二端口網(wǎng)絡(luò)；二端口網(wǎng)絡(luò)輸出端的反射系數(shù)為輸出端的反射系數(shù)為ou。如果反射系數(shù)的模大于如果反射系數(shù)的模大于1，傳輸線上，傳輸線上反射波的振幅將比入射波的振幅大，這將反射波的振幅將比入射波的振幅大，這將導(dǎo)致放大器不穩(wěn)定。因此，放大器穩(wěn)定意導(dǎo)致放大器不穩(wěn)定。因此，放大器穩(wěn)定意味著反射系數(shù)的模小于味著反射系數(shù)的模小于1，即，即8.1.2 穩(wěn)定性判別的圖解法穩(wěn)定性判別的圖解法L、S和和S參量對(duì)放大器的穩(wěn)定性有參量對(duì)放大器的穩(wěn)定性有影響，但由于影響

4、，但由于S參量對(duì)于特定條件（頻率、參量對(duì)于特定條件（頻率、溫度、外加信號(hào)的大小等）是固定值，所溫度、外加信號(hào)的大小等）是固定值，所以對(duì)穩(wěn)定性有影響的就只有以對(duì)穩(wěn)定性有影響的就只有L和和S。下面。下面在在L和和S的復(fù)平面上討論穩(wěn)定區(qū)域，用圖的復(fù)平面上討論穩(wěn)定區(qū)域，用圖解的方法給出結(jié)論。解的方法給出結(jié)論。1. 輸出穩(wěn)定判別圓輸出穩(wěn)定判別圓 L復(fù)平面上輸出穩(wěn)定判別圓及史密斯復(fù)平面上輸出穩(wěn)定判別圓及史密斯圓圖如圖圓圖如圖8.2所示，輸出穩(wěn)定判別圓將所示，輸出穩(wěn)定判別圓將L復(fù)復(fù)平面劃分為圓內(nèi)和圓外兩部分，從圖中可平面劃分為圓內(nèi)和圓外兩部分，從圖中可見輸出穩(wěn)定判別圓決定了史密斯圓圖內(nèi)見輸出穩(wěn)定判別圓決定了

5、史密斯圓圖內(nèi)L的穩(wěn)定區(qū)域。下面討論的穩(wěn)定區(qū)域。下面討論L的穩(wěn)定區(qū)域。的穩(wěn)定區(qū)域。 （1）若）若(|S11|1，則史密斯圓圖中心，則史密斯圓圖中心點(diǎn)（點(diǎn)（L=0點(diǎn)）在穩(wěn)定區(qū)域外。分點(diǎn)）在穩(wěn)定區(qū)域外。分2種種情況。情況。 若輸出穩(wěn)定判別圓包含史密斯圓圖若輸出穩(wěn)定判別圓包含史密斯圓圖中心點(diǎn)（如圖中心點(diǎn)（如圖8.2（c）所示），）所示），L的穩(wěn)定的穩(wěn)定區(qū)域在輸出穩(wěn)定判別圓外。區(qū)域在輸出穩(wěn)定判別圓外。L的穩(wěn)定區(qū)域的穩(wěn)定區(qū)域是史密斯圓圖單位圓內(nèi)輸出穩(wěn)定判別圓外是史密斯圓圖單位圓內(nèi)輸出穩(wěn)定判別圓外的區(qū)域，是圖的區(qū)域，是圖8.2（c）中的陰影區(qū)。）中的陰影區(qū)。 若輸出穩(wěn)定判別圓不包含史密斯圓若輸出穩(wěn)定判別圓不

6、包含史密斯圓圖中心點(diǎn)（如圖圖中心點(diǎn)（如圖8.2（d）所示），）所示），L的穩(wěn)的穩(wěn)定區(qū)域在輸出穩(wěn)定判別圓內(nèi)。定區(qū)域在輸出穩(wěn)定判別圓內(nèi)。L的穩(wěn)定區(qū)的穩(wěn)定區(qū)域是史密斯圓圖單位圓內(nèi)輸出穩(wěn)定判別圓域是史密斯圓圖單位圓內(nèi)輸出穩(wěn)定判別圓內(nèi)的區(qū)域，是圖內(nèi)的區(qū)域，是圖8.2（d）中的陰影區(qū)。）中的陰影區(qū)。 2. 輸入穩(wěn)定判別圓輸入穩(wěn)定判別圓 （1）若）若|S22|1，則史密斯圓圖中心，則史密斯圓圖中心點(diǎn)在穩(wěn)定區(qū)域外。分兩種情況。點(diǎn)在穩(wěn)定區(qū)域外。分兩種情況。 若輸入穩(wěn)定判別圓包含史密斯圓圖若輸入穩(wěn)定判別圓包含史密斯圓圖中心點(diǎn)（如圖中心點(diǎn)（如圖8.3（c）所示），）所示），S的穩(wěn)定的穩(wěn)定區(qū)域是史密斯圓圖單位圓內(nèi)輸入

7、穩(wěn)定判別區(qū)域是史密斯圓圖單位圓內(nèi)輸入穩(wěn)定判別圓外的區(qū)域，是圖圓外的區(qū)域，是圖8.3（c）中的陰影區(qū)。）中的陰影區(qū)。 若輸入穩(wěn)定判別圓不包含史密斯圓若輸入穩(wěn)定判別圓不包含史密斯圓圖中心點(diǎn)（如圖圖中心點(diǎn)（如圖8.3（d）所示），）所示），S的穩(wěn)的穩(wěn)定區(qū)域是史密斯圓圖單位圓內(nèi)輸入穩(wěn)定判定區(qū)域是史密斯圓圖單位圓內(nèi)輸入穩(wěn)定判別圓內(nèi)的區(qū)域，是圖別圓內(nèi)的區(qū)域，是圖8.3（d）中的陰影區(qū)。）中的陰影區(qū)。 3. 絕對(duì)穩(wěn)定絕對(duì)穩(wěn)定 絕對(duì)穩(wěn)定是穩(wěn)定的一個(gè)特例，是指在絕對(duì)穩(wěn)定是穩(wěn)定的一個(gè)特例，是指在頻率等特定的條件下，放大器在頻率等特定的條件下，放大器在L和和S的的整個(gè)史密斯圓圖內(nèi)都處于穩(wěn)定狀態(tài)。整個(gè)史密斯圓圖內(nèi)都處

8、于穩(wěn)定狀態(tài)。也就是說(shuō)，也就是說(shuō)，L和和S選擇任何選擇任何|L|1和和|S|1的值，放大器都絕對(duì)穩(wěn)定。的值，放大器都絕對(duì)穩(wěn)定。 若若|S11|1且且|S22|1或或|out|1，使放大器處于非穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)，使放大器處于非穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)當(dāng)采取措施使放大器進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。應(yīng)當(dāng)采取措施使放大器進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。 |in|1和和|out|1用輸入阻抗表達(dá)，為用輸入阻抗表達(dá)，為穩(wěn)定放大器的措施就是在其不穩(wěn)定的穩(wěn)定放大器的措施就是在其不穩(wěn)定的端口增加一個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)電阻，以保證總端口增加一個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)電阻，以保證總輸入阻抗為正。圖輸入阻抗為正。圖8.7示出了輸入端口的穩(wěn)示出了輸入端口的穩(wěn)定電路，增加了串聯(lián)電阻定

9、電路，增加了串聯(lián)電阻Rin或并聯(lián)電導(dǎo)或并聯(lián)電導(dǎo)Gin。 圖圖8.7 串聯(lián)或并聯(lián)電阻穩(wěn)定輸入端口串聯(lián)或并聯(lián)電阻穩(wěn)定輸入端口同樣，在輸出端口增加一個(gè)串聯(lián)或并同樣，在輸出端口增加一個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)的電阻，如圖聯(lián)的電阻，如圖8.8所示，若保證總輸出阻所示，若保證總輸出阻抗為正，也可以保證輸出端口穩(wěn)定。抗為正，也可以保證輸出端口穩(wěn)定。 圖圖8.8 串聯(lián)或并聯(lián)電阻穩(wěn)定輸出端口串聯(lián)或并聯(lián)電阻穩(wěn)定輸出端口 圖圖8.9 例例8.3用圖用圖由于晶體管輸入端加電阻會(huì)增加輸入由于晶體管輸入端加電阻會(huì)增加輸入損耗，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為輸出端較大的噪聲指數(shù)，損耗，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為輸出端較大的噪聲指數(shù)，因此一般不在輸入端加電阻，而采用在輸因此

10、一般不在輸入端加電阻，而采用在輸出端加電阻來(lái)達(dá)到晶體管穩(wěn)定的目的。出端加電阻來(lái)達(dá)到晶體管穩(wěn)定的目的。對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大是放大器最重要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大是放大器最重要的任務(wù)，因此在放大器的設(shè)計(jì)中，增益的的任務(wù)，因此在放大器的設(shè)計(jì)中，增益的概念很重要。概念很重要。8.2.1 功率增益的定義功率增益的定義圖圖8.10 單級(jí)放大器的一般框圖單級(jí)放大器的一般框圖放大器的功率增益有多種定義，它們放大器的功率增益有多種定義，它們?nèi)Q于放大器的運(yùn)行機(jī)制?，F(xiàn)分別對(duì)與增取決于放大器的運(yùn)行機(jī)制?，F(xiàn)分別對(duì)與增益相關(guān)的不同功率給予定義。益相關(guān)的不同功率給予定義。 圖圖8.11 單級(jí)放大器及信號(hào)流圖單級(jí)放大器及信號(hào)流圖1

11、. 轉(zhuǎn)換功率增益轉(zhuǎn)換功率增益2. 資用功率增益資用功率增益3. 功率增益功率增益 功率增益為功率增益為4. 單向化功率增益單向化功率增益8.2.2 最大功率增益最大功率增益由于晶體管的增益由于晶體管的增益G0是固定的，放大是固定的，放大器的總增益受輸入匹配網(wǎng)絡(luò)有效增益器的總增益受輸入匹配網(wǎng)絡(luò)有效增益GS和和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)有效增益輸出匹配網(wǎng)絡(luò)有效增益GL的控制。的控制。GS和和GL的值可能大于的值可能大于1。當(dāng)。當(dāng)GS和和GL的的值達(dá)到最大化時(shí)，放大器可以有最大增益。值達(dá)到最大化時(shí)，放大器可以有最大增益。當(dāng)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)能保證晶當(dāng)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)能保證晶體管的輸入和輸出端分別

12、實(shí)現(xiàn)共軛匹配時(shí)，體管的輸入和輸出端分別實(shí)現(xiàn)共軛匹配時(shí)，放大器可以實(shí)現(xiàn)最大增益。放大器可以實(shí)現(xiàn)最大增益。在共軛匹配的狀態(tài)下，晶體管既能從在共軛匹配的狀態(tài)下，晶體管既能從源獲得最大輸入功率，又能輸出給負(fù)載最源獲得最大輸入功率，又能輸出給負(fù)載最大功率。大功率?；诠曹椘ヅ涞母拍?，當(dāng)基于共軛匹配的概念，當(dāng)8.2.3 晶體管單向情況晶體管單向情況當(dāng)當(dāng)S12=0時(shí)，晶體管是單向的。實(shí)際應(yīng)時(shí)，晶體管是單向的。實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)可以忽略晶體管自身反饋的影用中，有時(shí)可以忽略晶體管自身反饋的影響，視響，視S120。當(dāng)晶體管近似為單向時(shí)，可以帶來(lái)設(shè)當(dāng)晶體管近似為單向時(shí)，可以帶來(lái)設(shè)計(jì)上的諸多便利，此時(shí)計(jì)上的諸多便利，此

13、時(shí)in和和out彼此獨(dú)立，這意味著輸入匹彼此獨(dú)立，這意味著輸入匹配網(wǎng)絡(luò)與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)無(wú)關(guān)，可以各自獨(dú)配網(wǎng)絡(luò)與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)無(wú)關(guān)，可以各自獨(dú)立設(shè)計(jì)。下面在晶體管單向的前提下，討立設(shè)計(jì)。下面在晶體管單向的前提下，討論放大器的增益，同時(shí)給出單向化設(shè)計(jì)帶論放大器的增益，同時(shí)給出單向化設(shè)計(jì)帶來(lái)的誤差。來(lái)的誤差。1. 最大增益最大增益2. 固定增益設(shè)計(jì)和等增益圓固定增益設(shè)計(jì)和等增益圓3. 單向化設(shè)計(jì)誤差因子單向化設(shè)計(jì)誤差因子 圖圖8.12 例例8.6用圖用圖8.2.4 晶體管雙向情況晶體管雙向情況當(dāng)當(dāng)S120且采用單向化設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生較大且采用單向化設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生較大誤差時(shí)，就不能忽略晶體管反饋的影響，誤差時(shí)，就不

14、能忽略晶體管反饋的影響，這時(shí)必須考慮晶體管的雙向情況。這時(shí)必須考慮晶體管的雙向情況。由于由于所以雙向晶體管的所以雙向晶體管的in和和out不再彼此不再彼此獨(dú)立，這使雙向晶體管比單向晶體管的情獨(dú)立，這使雙向晶體管比單向晶體管的情況復(fù)雜。下面在晶體管雙向的前提下，討況復(fù)雜。下面在晶體管雙向的前提下，討論放大器的增益。論放大器的增益。 1. 最大增益最大增益 當(dāng)晶體管雙向時(shí)，同時(shí)滿足式（當(dāng)晶體管雙向時(shí)，同時(shí)滿足式（8.47）和（和（8.48）可以得到放大器的最大增益。）可以得到放大器的最大增益。式（式（8.47）和（）和（8.48）是輸入與輸出同時(shí)達(dá)）是輸入與輸出同時(shí)達(dá)到共軛匹配到共軛匹配2. 固定

15、增益、等功率增益和等資固定增益、等功率增益和等資用功率增益圓用功率增益圓 固定增益是指放大器的增益達(dá)到某一固定增益是指放大器的增益達(dá)到某一期望的值，這一期望的值小于放大器的最期望的值，這一期望的值小于放大器的最大增益。對(duì)于雙向晶體管來(lái)說(shuō)，固定增益大增益。對(duì)于雙向晶體管來(lái)說(shuō)，固定增益放大器的設(shè)計(jì)將變得比較復(fù)雜。放大器的設(shè)計(jì)將變得比較復(fù)雜。 可以采用固定功率增益法設(shè)計(jì)放大器，可以采用固定功率增益法設(shè)計(jì)放大器，此時(shí)預(yù)期的放大器功率增益為此時(shí)預(yù)期的放大器功率增益為GP，這一期，這一期望的值小于望的值小于GPmax。也可以采用固定資用功。也可以采用固定資用功率增益法設(shè)計(jì)放大器，此時(shí)預(yù)期的放大器率增益法設(shè)

16、計(jì)放大器，此時(shí)預(yù)期的放大器資用功率增益為資用功率增益為GA，這一期望的值小于，這一期望的值小于GAmax。（1） 固定功率增益法固定功率增益法（2）固定資用功率增益法）固定資用功率增益法在很多情況下，放大器的特性用輸入在很多情況下，放大器的特性用輸入和輸出電壓駐波比描述，而且電壓駐波比和輸出電壓駐波比描述，而且電壓駐波比必須保持在特定指標(biāo)之下。信源與晶體管必須保持在特定指標(biāo)之下。信源與晶體管之間及晶體管與負(fù)載之間的失配程度對(duì)駐之間及晶體管與負(fù)載之間的失配程度對(duì)駐波比有影響，下面討論失配因子及電壓駐波比有影響，下面討論失配因子及電壓駐波比。波比。8.3.1 失配因子失配因子源失配因子定義為源失配

17、因子定義為負(fù)載失配因子為負(fù)載失配因子為8.3.2 輸入、輸出駐波分析輸入、輸出駐波分析放大器如圖放大器如圖8.13所示，輸入、輸出電所示，輸入、輸出電壓駐波比為壓駐波比為 圖圖8.13放大器輸入及輸出端口的失配放大器輸入及輸出端口的失配設(shè)計(jì)有源網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要考慮噪聲問題。設(shè)計(jì)有源網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要考慮噪聲問題。對(duì)放大器來(lái)說(shuō)，噪聲的存在對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)有對(duì)放大器來(lái)說(shuō)，噪聲的存在對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)有重要影響，在低噪聲的前提下對(duì)信號(hào)進(jìn)行重要影響，在低噪聲的前提下對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大是對(duì)放大器的基本要求。放大是對(duì)放大器的基本要求。前面討論過(guò)放大器的穩(wěn)定性和增益，前面討論過(guò)放大器的穩(wěn)定性和增益，但放大器的低噪聲與放大器的穩(wěn)定性和增但放大器的低噪聲與放大器的穩(wěn)定性和增益相沖突，例如最小噪聲與最大增益就不益相沖突，例如最