《射频通信电路》 第七章 射频放大电路

发布时间:2021-10-17 07:10:03

《射频通信电路》常树茂

第七章 射频放大电路设计
西安邮电学院电信系 常树茂 2007年9月

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第七章 射频放大电路设计
7.1 小信号射频放大电路 7.2 射频放大电路的噪声
7.2.1 噪声信号的特性和分类 7.2.2 等效噪声温度和噪声系数 7.2.3 等噪声系数圆

7.3 宽带放大电路 7.4 功率放大电路
7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.4.4 A类功率放大电路 B类和C类功率放大电路 功率合成放大电路 功率放大的交调失真

7.5 射频放大电路综合分析设计

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7.1 小信号射频放大电路
7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 放大电路稳定性分析 绝对稳定的充要条件 潜在不稳定情况 放大电路的增益

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7.1.1 放大电路稳定性分析
参数的变化:
环境温度改变 频率漂移 信号源阻抗 负载阻抗

射频放大电路的稳定性是非常重要因素

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7.1.1 放大电路稳定性分析

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7.1.1 放大电路稳定性分析
? Re {Z IN } < 0 ? ? ?Re {Z OUT } < 0 ?
V? V
+

Γ =

=

Z ? Z0 Z + Z0

? Γ IN > 1 ? ? ? ΓOUT > 1 ?

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7.1.1 放大电路稳定性分析
绝对稳定:
? Γ IN < 1 ? ? ? ΓOUT < 1 ? 对于任何 ? ? ΓS < 1 ? ? ΓL < 1 ?

?有条件稳定:
? Γ IN < 1 ? ? ? ΓOUT < 1 ? 对于一定范围内的Γ S 和Γ L

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7.1.1 放大电路稳定性分析
Γ IN S12 S 21Γ L = S11 + 1 ? S 22 Γ L
S12 S21Γ S = S22 + 1 ? S11Γ S

ΓOUT

? S12 S 21Γ L <1 ? S11 + 1 ? S 22 Γ L ? ? S12 S 21Γ S ? ? S 22 + 1 ? S Γ < 1 11 S ?

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7.1.1 放大电路稳定性分析
? S12 S 21Γ L <1 ? S11 + 1 ? S 22 Γ L ? ? S12 S 21Γ S ? ? S22 + 1 ? S Γ < 1 11 S ?

? S11 < 1 ? ? ? S 22 < 1 ?
晶体管单向传输模型的设计

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7.1.1 放大电路稳定性分析
给定晶体管S参数 确定两个稳定区域
? S12 S 21Γ L <1 ? S11 + 1 ? S 22 Γ L ? ? S S Γ ? S22 + 12 21 S < 1 ? 1 ? S11Γ S ?

? S12 S 21Γ L =1 ? S11 + 1 ? S 22 Γ L ? ? S12 S 21Γ S ? ? S 22 + 1 ? S Γ = 1 11 S ?

Critical condition

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7.1.1 放大电路稳定性分析
S11 ? ( S11 S22 ? S12 S21 ) Γ L 1 ? S 22 Γ L =1
? = S11 S 22 ? S12 S 21

S11 ? ?Γ L =1 1 ? S 22 Γ L

ΓS ? L

S ((S ?

11 22

?? ?S11) ?S 22
22

* ** * 22

S11 ??? S 22 ?

) ==

S12 S 21 21 S12 S S11 22 ? ? ? 2 ? S
2 2 2

对比在复数Γ*面上满足的方程|Γ-C|=R的圆 (其中复数C代表圆心,正实数R代表半径)

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7.1.1 放大电路稳定性分析

稳定圆

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7.1.1 放大电路稳定性分析

稳定区域

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7.1.1 放大电路稳定性分析

绝对稳定条件

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7.1.1 放大电路稳定性分析
标出稳定的源反射系数取值的区域。实线 的圆表示|ΓS|=1,虚线的圆表示|ΓOUT|=1的 输入稳定圆,其他条件已经在图上标明。

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7.1.2 绝对稳定的充要条件
K >1 1 ? S11
? = S11 S 22 ? S12 S 21 K= 1 ? S11 ? S22 + ?
2 2 2

2

S12 S 21 1 ? S22 S12 S21
2 2

>1
2

2 S12 S 21
2

>1

B1 = 1 + S11 ? S 22 ? ?

K >1 ? <1

K >1 B1 > 0

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7.1.2 绝对稳定的充要条件
f(GHz) S11 0.761∠ ? 151° 0.5 1.0 1.5 2.0
0.770∠ ? 166°

S12 0.025∠31°
0.029∠35°

S21 11.8∠102°
6.11∠89°

S22 0.429∠ ? 35°
0.365∠ ? 34°

0.760∠ ? 174°
0.756∠ ? 179°

0.040∠44°
0.064∠48°

3.06∠74°
1.53∠53°

0.364∠ ? 43°
0.423∠ ? 66°

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7.1.3 潜在不稳定情况

? Re {Z S + Z IN } > 0 ? ? ?Re {Z L + Z OUT } > 0 ?

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7.1.4 放大电路的增益
转换功率增益: 工作功率增益: 可用功率增益:
PL 负载吸收的功率 GT = = PAVS 信号源的可用功率 PL 负载吸收的功率 GP = G = = PIN 输入到网络的功率

PAVN 网络的可用功率 GA = = PAVS 信号源的可用功率

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7.1.4 放大电路的增益
2. 单向传输情况
GT
max

= GS

max

GO GL

max

=

1 1 ? S11
2

S 21

2

1 1 ? S22
2

1 1+U
2

GT 1 < < GTU 1 ? U

2

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7.1.4 放大电路的增益
3. 双向传输情况
GT max = 1 1 ? Γ MS
2

S 21

2

1 ? Γ ML

2 2

1 ? S22 Γ ML

2 ? B1 ± B12 ? 4 C1 ?Γ = Γ = MS ? S 2C1 ? ? 2 ? B2 ± B2 2 ? 4 C2 ?Γ L = Γ ML = 2C2 ? ?

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7.1.4 放大电路的增益
4. 输入和输出驻波系数
进入输入匹配电路的功率 PIN 与信号源可以输出的最大功率 PAVS 之比, 定义为输入端口 的失配系数
P M = IN S PVS A

VSWRIN =

1 + Γa 1 ? Γa

=

1+ 1? M S 1? 1? M S

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7.2 射频放大电路的噪声
7.2.1 噪声信号的特性和分类 1) 热噪声 PN = kTB 2) 散粒噪声 3) 闪烁噪声
I N rms = 2qI DC B

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7.2.2 等效噪声温度和噪声系数

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7.2.2 等效噪声温度和噪声系数
PNOT F= PNO I PSI ( SNR )IN PNOT PNI = = = PSO GA PNI ( SNR )OUT PNOT

FN ? 1 F2 ? 1 F3 ? 1 F = F1 + + +K + GA1 GA1GA 2 GA1GA 2 K GA( N ?1)
注意单位

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7.2.3 等噪声系数圆
F = Fmin rn + YS ? Yopt gS
2

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7.3 宽带放大电路
1) 补偿匹配电路

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7.3 宽带放大电路
2)
3dB耦合器 RFIN 匹配 网络 匹配 网络 50 Z0 匹配 网络 50 Z0 匹配 网络

*衡放大
3dB耦合器 1 Z0

2 Z0 2

Z0 2

2 Z0 2
RFOUT 4

Z0

3 Z0

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7.3 宽带放大电路
3) 负反馈放大电路

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7.4 功率放大电路
7.4.1 A类功率放大电路 1dB增益压缩点(G1dB)定义为:由于晶体 管的非线性特性,放大电路实际输出功 率增益比线性功率增益降低1dB时放大电 路的实际功率增益。
G1dB ( dB ) = GO ( dB ) ? 1dB
P ( dBm ) = PIN ,1dB ( dBm ) + G1dB 1dB

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7.4.1 A类功率放大电路
对于A类放大电路定义输出信号有效的功 率范围为放大电路的动态范围
DR = P ? Po, mds ( dB) 1dB
噪声底的功率Po,mds
Po, mds ( dBm ) = 10 log ( GA kT0 BF ) + 3dB

= ?174 dBm + 10 log B + GA ( dB ) + F ( dB ) + 3dB

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7.4.2 B类和C类功率放大电路

Vout Vin Vin t Vout T 零偏置 t

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7.4.2 B类和C类功率放大电路
IC1 VC T1 Vin Vin t IC2 T2 -VC Vout RL IC1 IOUT t 交越失真 Vout t

IC2 t

互补B类放大电路的基本电路

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7.4.2 B类和C类功率放大电路
VC RFC IC t T RFC -VBB L C 谐振选频网络 t Vout(t) Vout

Vin Vin(t) t

IC

C类基本放大电路

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7.4.3 功率合成放大电路

P = ∑ Pi
i =1

N

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7.4.3 功率合成放大电路
Pi/N Pi/N Pi/N A G1Pi/N G2Pi/N G3Pi/N G4Pi/N

A A

Pi

功率 分配

Pi/N

Pi N P = ∑ Gi N i =1
功率 合成

A

Pi/N Pi/N

A

GN-1Pi/N

A

GNPi/N

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7.4.3 功率合成放大电路

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7.4.4 功率放大的交调失真
幅度 f1 f2

f2-f1

2f1-f2

2f2-f1 2f1

f2+f1 2f2

f2+2f1 2f2+f1 3f1 3f2

频率

三阶交调失真

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7.5 射频放大电路综合分析设计

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7.5 射频放大电路综合分析设计
Z'01 Z0 C1 Z01 C3 Z0

T Z'02 RL

RS Z02 VS RFC RFC C2 C2

直流偏置网络

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作业:
7.1 7.7 7.8


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