放大器的穩(wěn)定性增益和噪聲

放大器的穩(wěn)定性增益和噪聲第1頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

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)計(jì)。第2頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

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3頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1放大器的穩(wěn)定性 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4頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

穩(wěn)定性是指放大器抑制環(huán)境的變化（如信號(hào)頻率、溫度、源和負(fù)載等變化時(shí)），維持正常工作特性的能力。第5頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.1.1穩(wěn)定準(zhǔn)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(gè)內(nèi)阻為ZS的源VS，在它的輸出端接有負(fù)載ZL。第6頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖7.1接有源和負(fù)載的放大器二端口網(wǎng)絡(luò)第7頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖中傳輸線上有反射波傳輸，源的反射系數(shù)為ΓS;負(fù)載的反射系數(shù)為ΓL；二端口網(wǎng)絡(luò)輸入端的反射系數(shù)為Γin；二端口網(wǎng)絡(luò)輸出端的反射系數(shù)為Γou。第8頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

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9頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.1.2穩(wěn)定性判別的圖解法

ΓL、ΓS和S參量對(duì)放大器的穩(wěn)定性有影響，但由于S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，所以對(duì)穩(wěn)定性有影響的就只有ΓL和ΓS。下面在ΓL和ΓS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10頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.輸出穩(wěn)定判別圓

ΓL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ΓL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)ΓL的穩(wěn)定區(qū)域。下面討論ΓL的穩(wěn)定區(qū)域。第11頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

第12頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

（1）若(|S11|<1，則史密斯圓圖中心點(diǎn)（ΓL=0點(diǎn)）在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。分2種情況。第13頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

①若輸出穩(wěn)定判別圓包含史密斯圓圖中心點(diǎn)（如圖7.2（a）所示），ΓL的穩(wěn)定區(qū)域在輸出穩(wěn)定判別圓內(nèi)。ΓL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（a）中的陰影區(qū)。第14頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

②若輸出穩(wěn)定判別圓不包含史密斯圓圖中心點(diǎn)（如圖7.2（b）所示），ΓL的穩(wěn)定區(qū)域在輸出穩(wěn)定判別圓外。ΓL的穩(wěn)定區(qū)域是史密斯圓圖單位圓內(nèi)輸出穩(wěn)定判別圓外的區(qū)域，是圖7.2（b）中的陰影區(qū)。第15頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）若(|S11)|>1，則史密斯圓圖中心點(diǎn)（ΓL=0點(diǎn)）在穩(wěn)定區(qū)域外。分2種情況。第16頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

①若輸出穩(wěn)定判別圓包含史密斯圓圖中心點(diǎn)（如圖7.2（c）所示），ΓL的穩(wěn)定區(qū)域在輸出穩(wěn)定判別圓外。ΓL的穩(wěn)定區(qū)域是史密斯圓圖單位圓內(nèi)輸出穩(wěn)定判別圓外的區(qū)域，是圖7.2（c）中的陰影區(qū)。第17頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

②若輸出穩(wěn)定判別圓不包含史密斯圓圖中心點(diǎn)（如圖7.2（d）所示），ΓL的穩(wěn)定區(qū)域在輸出穩(wěn)定判別圓內(nèi)。ΓL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18頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.輸入穩(wěn)定判別圓第19頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

第20頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

（1）若|S22|<1，則史密斯圓圖中心點(diǎn)在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。分兩種情況。第21頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

①若輸入穩(wěn)定判別圓包含史密斯圓圖中心點(diǎn)（如圖7.3（a）所示），ΓS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（a）中的陰影區(qū)。第22頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

②若輸入穩(wěn)定判別圓不包含史密斯圓圖中心點(diǎn)（如圖7.3（b）所示），ΓS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（b）中的陰影區(qū)。第23頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）若(|S22|>1，則史密斯圓圖中心點(diǎn)在穩(wěn)定區(qū)域外。分兩種情況。第24頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

①若輸入穩(wěn)定判別圓包含史密斯圓圖中心點(diǎn)（如圖7.3（c）所示），ΓS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25頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

②若輸入穩(wěn)定判別圓不包含史密斯圓圖中心點(diǎn)（如圖7.3（d）所示），ΓS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26頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.絕對(duì)穩(wěn)定 絕對(duì)穩(wěn)定是穩(wěn)定的一個(gè)特例，是指在頻率等特定的條件下，放大器在ΓL和ΓS的整個(gè)史密斯圓圖內(nèi)都處于穩(wěn)定狀態(tài)。第27頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

也就是說，ΓL和ΓS選擇任何|ΓL|<1和|ΓS|<1的值，放大器都絕對(duì)穩(wěn)定。第28頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

若|S11|<1且|S22|<1，則滿足下列條件之一的放大器是絕對(duì)穩(wěn)定的。第29頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

（1）輸出穩(wěn)定判別圓包含ΓL的史密斯圓圖，輸入穩(wěn)定判別圓包含ΓS的史密斯圓圖，如圖7.4（a）所示。（2）輸出穩(wěn)定判別圓完全位于ΓL的史密斯圓圖外，輸入穩(wěn)定判別圓完全位于ΓS的史密斯圓圖外，如圖7.4（b）所示。第30頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖7.4絕對(duì)穩(wěn)定時(shí)穩(wěn)定判別圓與史密斯圓圖的相對(duì)位置第31頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.1.3絕對(duì)穩(wěn)定判別的解析法第32頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖7.5例7.1用圖第33頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖7.6例7.2用圖第34頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.1.4放大器穩(wěn)定措施 當(dāng)放大器不是絕對(duì)穩(wěn)定，則有時(shí)信源和負(fù)載選擇的ΓS和ΓL會(huì)造成|Γin|>1或|Γout|>1，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)。第35頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

|Γin|>1和|Γout|>1用輸入阻抗表達(dá)，為第36頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

第37頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

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R′in或并聯(lián)電導(dǎo)G′in。第38頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖7.7串聯(lián)或并聯(lián)電阻穩(wěn)定輸入端口第39頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

同樣，在輸出端口增加一個(gè)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40頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖7.8串聯(lián)或并聯(lián)電阻穩(wěn)定輸出端口第41頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖7.9例7.3用圖第42頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

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)，因此一般不在輸入端加電阻，而采用在輸出端加電阻來達(dá)到晶體管穩(wěn)定的目的。第43頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2放大器的增益

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，增益的概念很重要。第44頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.2.1功率增益的定義第45頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖7.10單級(jí)放大器的一般框圖第46頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

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)與增益相關(guān)的不同功率給予定義。第47頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖7.11單級(jí)放大器及信號(hào)流圖第48頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.轉(zhuǎn)換功率增益第49頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.資用功率增益第50頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.功率增益 功率增益為第51頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.單向化功率增益第52頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.2.2最大功率增益 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53頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

GS和GL的值可能大于1。當(dāng)GS和GL的值達(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。第54頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

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)載最大功率。第55頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

基于共軛匹配的概念，當(dāng)?shù)?6頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.2.3晶體管單向情況 當(dāng)S12=0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響，視S12≈0。第57頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)晶體管近似為單向時(shí)，可以帶來設(shè)計(jì)上的諸多便利，此時(shí)第58頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

Γin和Γout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，討論放大器的增益，同時(shí)給出單向化設(shè)計(jì)帶來的誤差。第59頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.最大增益

2.固定增益設(shè)計(jì)和等增益圓

3.單向化設(shè)計(jì)誤差因子第60頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖7.12例7.6用圖第61頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.2.4晶體管雙向情況 當(dāng)S12≠0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，這時(shí)必須考慮晶體管的雙向情況。第62頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于第63頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

所以雙向晶體管的Γin和Γout不再彼此獨(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，討論放大器的增益。第64頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.最大增益 當(dāng)晶體管雙向時(shí)，同時(shí)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(shí)達(dá)到共軛匹配第65頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

第66頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(dá)到某一期望的值，這一期望的值小于放大器的最大增益。對(duì)于雙向晶體管來說，固定增益放大器的設(shè)計(jì)將變得比較復(fù)雜。第67頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

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GP，這一期望的值小于GPmax。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)期的放大器資用功率增益為GA，這一期望的值小于GAmax。第68頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

（1）固定功率增益法（2）固定資用功率增益法第69頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月 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(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70頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.3.1失配因子 源失配因子定義為第71頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

負(fù)載失配因子為第72頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

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73頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖7.13放大器輸入及輸出端口的失配第74頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月7.4放大器的噪聲 設(shè)計(jì)有源網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要考慮噪聲問題。對(duì)放大器來說，噪聲