放大器穩(wěn)定性增益和噪聲課件

1、 在放大器的設(shè)計中，需要考慮的因素很多，其中最重要的就是穩(wěn)定性、增益和噪聲。本章將對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)計。 第1頁/共85頁 放大器的穩(wěn)定性7.1 放大器的增益7.2 輸入、輸出電壓駐波比7.3 放大器的噪聲7.4第2頁/共85頁7.1 放大器的穩(wěn)定性設(shè)計射頻放大器時，必須考慮電路的穩(wěn)定性，這一點與低頻電路的設(shè)計方法完全不同。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。第3頁/共85頁 穩(wěn)定性是指放大器抑制環(huán)境的變化（如信號頻率、溫度、源和負載等變化時），維持正常工作特性的

2、能力。 第4頁/共85頁 7.1.1 穩(wěn)定準則放大器的二端口網(wǎng)絡(luò)如圖71所示，在它的輸入端接有一個內(nèi)阻為ZS的源VS，在它的輸出端接有負載ZL。第5頁/共85頁 圖7.1 接有源和負載的放大器二端口網(wǎng)絡(luò)第6頁/共85頁 圖中傳輸線上有反射波傳輸，源的反射系數(shù)為S;負載的反射系數(shù)為L；二端口網(wǎng)絡(luò)輸入端的反射系數(shù)為in；二端口網(wǎng)絡(luò)輸出端的反射系數(shù)為ou。第7頁/共85頁 如果反射系數(shù)的模大于1，傳輸線上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)定意味著反射系數(shù)的模小于1，即第8頁/共85頁 7.1.2 穩(wěn)定性判別的圖解法L、S和S參量對放大器的穩(wěn)定性有影響，但由于S參量對

3、于特定條件（頻率、溫度、外加信號的大小等）是固定值，所以對穩(wěn)定性有影響的就只有L和S。下面在L和S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。第9頁/共85頁 1. 輸出穩(wěn)定判別圓 L復(fù)平面上輸出穩(wěn)定判別圓及史密斯圓圖如圖7.2所示，輸出穩(wěn)定判別圓將L復(fù)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)L的穩(wěn)定區(qū)域。下面討論L的穩(wěn)定區(qū)域。第10頁/共85頁 第11頁/共85頁 （1）若(|S11|1，則史密斯圓圖中心點（L=0點）在穩(wěn)定區(qū)域外。分2種情況。第15頁/共85頁 若輸出穩(wěn)定判別圓包含史密斯圓圖中心點（如圖7.2（c）所示），L的穩(wěn)定區(qū)域在輸出穩(wěn)定判別圓外。L的

4、穩(wěn)定區(qū)域是史密斯圓圖單位圓內(nèi)輸出穩(wěn)定判別圓外的區(qū)域，是圖7.2（c）中的陰影區(qū)。 第16頁/共85頁 若輸出穩(wěn)定判別圓不包含史密斯圓圖中心點（如圖7.2（d）所示），L的穩(wěn)定區(qū)域在輸出穩(wěn)定判別圓內(nèi)。L的穩(wěn)定區(qū)域是史密斯圓圖單位圓內(nèi)輸出穩(wěn)定判別圓內(nèi)的區(qū)域，是圖7.2（d）中的陰影區(qū)。 第17頁/共85頁 2. 輸入穩(wěn)定判別圓 第18頁/共85頁 第19頁/共85頁 （1）若|S22|1，則史密斯圓圖中心點在穩(wěn)定區(qū)域外。分兩種情況。第23頁/共85頁 若輸入穩(wěn)定判別圓包含史密斯圓圖中心點（如圖7.3（c）所示），S的穩(wěn)定區(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7.3（c）中的陰影區(qū)。第

5、24頁/共85頁 若輸入穩(wěn)定判別圓不包含史密斯圓圖中心點（如圖7.3（d）所示），S的穩(wěn)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7.3（d）中的陰影區(qū)。 第25頁/共85頁 3. 絕對穩(wěn)定 絕對穩(wěn)定是穩(wěn)定的一個特例，是指在頻率等特定的條件下，放大器在L和S的整個史密斯圓圖內(nèi)都處于穩(wěn)定狀態(tài)。第26頁/共85頁 也就是說，L和S選擇任何|L|1和|S|1的值，放大器都絕對穩(wěn)定。 第27頁/共85頁 若|S11|1且|S22|1或|out|1，使放大器處于非穩(wěn)定狀態(tài)，此時應(yīng)當(dāng)采取措施使放大器進入穩(wěn)定狀態(tài)。 第34頁/共85頁 |in|1和|out|1用輸入阻抗表達，為第35頁/共85頁

6、 第36頁/共85頁 穩(wěn)定放大器的措施就是在其不穩(wěn)定的端口增加一個串聯(lián)或并聯(lián)電阻，以保證總輸入阻抗為正。圖7.7示出了輸入端口的穩(wěn)定電路，增加了串聯(lián)電阻Rin或并聯(lián)電導(dǎo)Gin。第37頁/共85頁 圖7.7 串聯(lián)或并聯(lián)電阻穩(wěn)定輸入端口第38頁/共85頁 同樣，在輸出端口增加一個串聯(lián)或并聯(lián)的電阻，如圖7.8所示，若保證總輸出阻抗為正，也可以保證輸出端口穩(wěn)定。第39頁/共85頁 圖7.8 串聯(lián)或并聯(lián)電阻穩(wěn)定輸出端口第40頁/共85頁 圖7.9 例7.3用圖第41頁/共85頁 由于晶體管輸入端加電阻會增加輸入損耗，進而轉(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，而采用在輸出端加電阻來達到晶體

7、管穩(wěn)定的目的。第42頁/共85頁7.2 放大器的增益對輸入信號進行放大是放大器最重要的任務(wù)，因此在放大器的設(shè)計中，增益的概念很重要。第43頁/共85頁 7.2.1 功率增益的定義第44頁/共85頁 圖7.10 單級放大器的一般框圖第45頁/共85頁 放大器的功率增益有多種定義，它們?nèi)Q于放大器的運行機制?，F(xiàn)分別對與增益相關(guān)的不同功率給予定義。第46頁/共85頁 圖7.11 單級放大器及信號流圖第47頁/共85頁 1. 轉(zhuǎn)換功率增益第48頁/共85頁 2. 資用功率增益第49頁/共85頁 3. 功率增益 功率增益為第50頁/共85頁 4. 單向化功率增益第51頁/共85頁 7.2.2 最大功率增

8、益由于晶體管的增益G0是固定的，放大器的總增益受輸入匹配網(wǎng)絡(luò)有效增益GS和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)有效增益GL的控制。第52頁/共85頁 GS和GL的值可能大于1。當(dāng)GS和GL的值達到最大化時，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)能保證晶體管的輸入和輸出端分別實現(xiàn)共軛匹配時，放大器可以實現(xiàn)最大增益。第53頁/共85頁 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，又能輸出給負載最大功率。第54頁/共85頁 基于共軛匹配的概念，當(dāng)?shù)?5頁/共85頁 7.2.3 晶體管單向情況當(dāng)S12=0時，晶體管是單向的。實際應(yīng)用中，有時可以忽略晶體管自身反饋的影響，視S120。第56頁/共85頁 當(dāng)晶

9、體管近似為單向時，可以帶來設(shè)計上的諸多便利，此時第57頁/共85頁 in和out彼此獨立，這意味著輸入匹配網(wǎng)絡(luò)與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，可以各自獨立設(shè)計。下面在晶體管單向的前提下，討論放大器的增益，同時給出單向化設(shè)計帶來的誤差。第58頁/共85頁 1. 最大增益2. 固定增益設(shè)計和等增益圓3. 單向化設(shè)計誤差因子第59頁/共85頁 圖7.12 例7.6用圖第60頁/共85頁 7.2.4 晶體管雙向情況當(dāng)S120且采用單向化設(shè)計會產(chǎn)生較大誤差時，就不能忽略晶體管反饋的影響，這時必須考慮晶體管的雙向情況。第61頁/共85頁 由于第62頁/共85頁 所以雙向晶體管的in和out不再彼此獨立，這使雙向晶體管

10、比單向晶體管的情況復(fù)雜。下面在晶體管雙向的前提下，討論放大器的增益。 第63頁/共85頁 1. 最大增益 當(dāng)晶體管雙向時，同時滿足式（7.47）和（7.48）可以得到放大器的最大增益。式（7.47）和（7.48）是輸入與輸出同時達到共軛匹配第64頁/共85頁 第65頁/共85頁 2. 固定增益、等功率增益和等資用功率增益圓 固定增益是指放大器的增益達到某一期望的值，這一期望的值小于放大器的最大增益。對于雙向晶體管來說，固定增益放大器的設(shè)計將變得比較復(fù)雜。 第66頁/共85頁 可以采用固定功率增益法設(shè)計放大器，此時預(yù)期的放大器功率增益為GP，這一期望的值小于GPmax。也可以采用固定資用功率增益

11、法設(shè)計放大器，此時預(yù)期的放大器資用功率增益為GA，這一期望的值小于GAmax。第67頁/共85頁 （1） 固定功率增益法（2）固定資用功率增益法第68頁/共85頁在很多情況下，放大器的特性用輸入和輸出電壓駐波比描述，而且電壓駐波比必須保持在特定指標之下。信源與晶體管之間及晶體管與負載之間的失配程度對駐波比有影響，下面討論失配因子及電壓駐波比。7.3 輸入、輸出電壓駐波比第69頁/共85頁 7.3.1 失配因子源失配因子定義為第70頁/共85頁 負載失配因子為第71頁/共85頁 7.3.2 輸入、輸出駐波分析放大器如圖7.13所示，輸入、輸出電壓駐波比為第72頁/共85頁 圖7.13放大器輸入及輸出端口的失配第73頁/共85頁7.4 放大器的噪聲設(shè)計有源網(wǎng)絡(luò)時，需要考慮噪聲問題。對放大器來說，噪聲的存在對整個設(shè)計有重要影響，在低噪聲的前提下對信號進行放大是對放大器的基本要求。第74頁/共85頁 前面討論過放大器的穩(wěn)定性和增益，但放大器的低噪聲與放大器的穩(wěn)定性和增益相沖突，例如最小噪聲與最大增益就不能同時達到，因此需要討論噪聲參數(shù)，以便得到最佳設(shè)計。第75頁/共85頁 下面，首先介紹噪聲的表示方法和級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲特性；然后在史密斯圓圖上畫出等噪聲系數(shù)圓。 第76頁/共85頁 7.4.1 等效噪聲溫度和噪聲系數(shù)一個電阻可能產(chǎn)生的最大