射頻放大器

1.放大器性能指標

在射頻放大器的設計中，需要分析的技術指標很多，其中最重要的就是穩定性、增益和噪聲。

1.1穩定性

由於反射波的存在，射頻放大器在某些工作頻率或終端條件下有產生振盪的傾向，不再發揮放大器的作用，因此必須分析射頻放大器的穩定性。
穩定性是指射頻放大器抑制環境的變化（如信號頻率、溫度、源、負載等變化時），維持正常工作特性的能力。

1.1.1穩定條件

放大器的二端口網絡

如果反射系數的模大於 1，傳輸線上反射波的振幅將比入射波的振幅大，這將導致放大器不穩定。因此，放大器穩定意味着反射系數的模小於1，即

\[|\Gamma_S|<1,|\Gamma_{in}|<1,|\Gamma_{out}|<1,|\Gamma_{L}|<1 \]

對於信源\(|\Gamma_S|<1\)和負載\(|\Gamma_L|<1\)，有如下2種性質的穩定。
（1）條件穩定：只對部分而非所有的\(|\Gamma_S|<1\)和\(|\Gamma_L|<1\)有

\[|\Gamma_{in}|<1,|\Gamma_{out}|<1 \]

（2）絕對穩定：對於所有的\(|\Gamma_S|<1\)和\(|\Gamma_L|<1\)均有

\[|\Gamma_{in}|<1,|\Gamma_{out}|<1 \]

絕對穩定是放大器穩定的一個特例，是指在頻率等特定的條件下，放大器在\(\Gamma_L\)和\(\Gamma_S\)的整個史密斯圓圖內都處於穩定狀態。也就是說，\(\Gamma_L\)和\(\Gamma_S\)選擇任何的值，放大器都絕對穩定。

絕對穩定判別的解析法

絕對穩定要求

\[|\Delta|=|S_{11}S_{22}-S_{12}S_{21}|<1 \]

同時穩定因子\(k\)大於1

\[k=\frac{1-|S_{11}|^2-|S_{22}|^2+|\Delta|^2}{2|S_{12}||S_{21}|}>1 \]

1.1.2放大器穩定措施

當放大器不是絕對穩定，有時信源和負載選擇的\(\Gamma_S\)和\(\Gamma_L\)會造成\(\Gamma_{in}\)>1或\(\Gamma_{out}\)>1，使放大器處於非穩定狀態。此時應當采取措施，使放大器進入穩定狀態。

穩定放大器的措施就是在其不穩定的端口增加一個串聯或並聯的電阻，以保證總輸入阻抗為正。圖為輸入端口的穩定電路，增加了串聯電阻\(R'_{in}\)或並聯電導\(G'_{in}\)。

同樣，在輸出端口增加一個串聯或並聯的電阻，如圖所示，若保證總輸出阻抗為正，也可以保證輸出端口穩定。

用增加電阻的方法實現放大器穩定，會帶來一些副作用，如增益減小、噪聲加大、放大器輸出功率減小等。由於晶體管輸入端加電阻會增加輸入損耗，進而轉化為輸出端較大的噪聲指數，因此一般不在輸入端加電阻，而采用在輸出端加電阻達到晶體管穩定的目的。

1.2放大器增益性

在低頻放大電路中，放大器的增益通常用電壓放大系數表示；在射頻放大電路中，放大器的增益通常用功率增益進行描述。放大器的功率增益不僅取決於晶體管的參數，還與輸入輸出匹配網絡有關。

射頻放大器的功率增益有多種描述方式，常用的有轉換功率增益、資用功率增益、功率增益（也稱為工作功率增益）等，當\(S_{12}\)=0時還需要討論單向化功率增益。

單級放大器的一般框圖

放大器的功率增益有多種定義，它們取決於放大器的運行機制。現分別對與增益相關的不同功率給予定義。

• \(P_{in}\)——晶體管輸入端口的輸入功率
• \(P_{AVS}\)——匹配狀態下源的資用功率。它是在\(\Gamma_{in}=\Gamma^*_S\)時\(P_{in}\)的特例。
• \(P_{L}\)——負載吸收的功率。
• \(P_{AVN}\)——匹配狀態下晶體管的資用功率。它是在\(\Gamma_{out}=\Gamma^*_L\)時PL的特例。

轉換功率增益:

\[G_T=\frac{P_{L}}{P_{AVS}} \]

資用功率增益:

\[G_A=\frac{P_{AVN}}{P_{AVS}} \]

工作功率增益（也稱為功率增益）:

\[G_P=\frac{P_{{L}}}{P_{in}} \]

單向化功率增益:

\[G_{TU}=G_T|_{S_{12}=0} \]

放大器的增益受晶體管的增益\(G_0\)、輸入匹配網絡有效增益\(G_S\)和輸出匹配網絡有效增益\(G_L\)的控制。當\(\Gamma_{in}=\Gamma^*_S\),\(\Gamma_{out}=\Gamma^*_L\)時，\(G_S\)和\(G_L\)的值達到最大化，放大器可以有最大增益。

1.3輸入輸出電壓駐波比及失配因子

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。若駐波比為1，稱為匹配；若駐波比不為1，稱為失配。信源與晶體管之間及晶體管與負載之間都會出現失配

源失配因子定義為

\[M_S=\frac{P_{in}}{P_{AVS}} \]

\(M_S\)是用來衡量傳送到晶體管輸入端的功率\(P_{in}\)占信源資用功率\(P_{AVS}\)的比例，取值范圍為\(M_S\)≤1。如果\(\Gamma_{in}=\Gamma^*_S\)，MS=1，意味着信源資用功率全部送給了晶體管。

同樣可以定義負載失配因子為

\[M_L=\frac{P_L}{P_{AVN}} \]

\(M_L\)是用來衡量傳送到負載的功率\(P_L\)占晶體管資用功率\(P_{AVN}\)的比例，取值范圍為\(M_L\)≤1。如果\(\Gamma_{out}=\Gamma^*_L\)，\(M_L\)=1，意味着晶體管的資用功率全部送給了負載。

1.4放大器的噪聲

小信號放大通常是射頻放大電路的第一級，這時放大器必須盡可能降低噪聲，在低噪聲的前提下進行放大。前面討論過放大器的增益，但放大器的最小噪聲與放大器的最大增益相沖突，最小噪聲與最大增益不能同時達到，設計中需要兼顧噪聲和增益兩個方面，因此需要討論噪聲參數，以便得到最佳設計。

• 放大器的噪聲系數F 定義為放大器總輸出噪聲\(P_{No}\)與\(P_{(No)i}\)的比值，噪聲系數F也可以由放大器輸入端額定信噪比與輸出端額定信噪比的比值來確定。
• n個放大器級連的總噪聲系數僅第一級對總噪聲有較大影響，因此放大電路的第一級必須盡可能降低噪聲。
• \(F_{min}\)表示\(Y_S=Y_{opt}\)（\(Y_{opt}\)為最小噪聲系數的最佳源導納，通常由制造商提供）時晶體管的最小噪聲系數。
• 等F曲線是圓方程，稱為等噪聲系數圓，噪聲系數F越大圓的半徑越大。

2.放大器的分類

根據靜態工作點的不同，放大器主要分為以下4類。
（1）A類放大器
A類放大器也稱為甲類放大器。工作於這種狀態的放大器，晶體管在整個信號的周期內均導通。
（2）B類放大器
B類放大器也稱為乙類放大器。工作於這種狀態的放大器，晶體管僅在半個信號的周期內導通。
（3）AB類放大器
AB類放大器也稱為甲乙類放大器。工作於這種狀態的放大器，對於小信號工作於A類，對於大信號工作於B類。
（4）C類放大器
C類放大器也稱為丙類放大器。工作於這種狀態的放大器，晶體管的導通時間小於半個信號周期。

放大器的效率定義為射頻輸出功率與直流輸入功率之比，A類放大器的效率最低，不超過50%；B類放大器的理論效率為78%；C類放大器的效率可以接近100%。

根據信號大小的不同，放大器可以分為小信號工作模式和大信號工作模式。在小信號及大信號這2種不同的工作模式下，放大器的設計方法不同。
（1）小信號分析法
當輸入交流信號的幅度與恆定偏壓值相比是一個小量級時，器件的工作狀態近似為線性的，可以采用小信號分析法。

（2）大信號分析法
當輸入交流信號的幅度很大時，交流信號的工作區域會超出器件的線性工作區域，進入非線性工作區域，引起器件非線性工作，這時用大信號分析法。

3.放大器的偏置網絡

偏置網絡的設計是直流電路的設計，偏置電路的作用是在特定的工作條件下為放大器提供適當的靜態工作點，以保持放大器工作特性的恆定。

偏置電路是直流的通路，射頻電路是射頻交流信號的通路。偏置電路與射頻電路是一個放大器中不可分割的兩部分，但希望直流的通路與射頻交流信號的通路之間能夠完全隔離，以消除直流與射頻交流信號之間的耦合。

為此，偏置電路與射頻電路之間的連接可以采取以下3種方案。
（1）在直流源與射頻電路之間連接一個電感，即通常所說的射頻扼流（RFC）。RFC可以有效地阻塞射頻信號，但對直流可以視為無損耗通路，直流可以無損耗地通過RFC。
（2）在直流源與射頻電路之間連接一個λ/4阻抗變換器。阻抗變換器的特性阻抗應很高，其可以對射頻信號產生很高的阻抗。
（3）將一個大電容作為負載接於λ/4阻抗變換器的終端，可以有效地短路可能泄露到偏置電路中的射頻信號。大電容在射頻頻率下呈現短路，經λ/4阻抗變換器后，相當於開路，從而可以隔斷射頻信號。

4.A類放大器

當工作頻率大於1GHz時，常使用A類功率放大器。

（1）1dB增益壓縮點
當晶體管的輸入功率達到飽和狀態時，其增益開始下降，或者稱為壓縮。典型的輸入輸出功率關系可以畫在雙對數坐標中，如圖所示，當輸入功率較低時，輸出與輸入功率成線性關系；當輸入功率超過一定的量值之后，輸出與輸入功率為非線性關系，晶體管的增益開始下降。

當晶體管的功率增益從其小信號線性功率增益下降1dB時，對應的點稱為1dB增益壓縮點。小信號線性功率增益記為\(G_{0dB}\)，1dB增益壓縮點的功率增益記為\(G_{1dB}\)，即

\[G_{1dB}=G_{0dB}-1dB \]

（2）動態范圍（DR）
動態范圍基本是放大器的線性工作范圍。

（3）交調失真

理想的線性放大器沒有交調失真，小信號射頻放大器往往也不考慮交調失真。

三階截止點（IP）
在非線性放大器的輸入端加2個或2個以上頻率的正弦信號時，在輸出端會產生附加頻率分量，這會引起輸出信號的失真。三階交調\(2f_1-f_2\)和\(2f_2− f_1\)由於距\(f_1\)和\(f_2\)太近而落在了放大器的頻帶內，不易用濾波器濾除，可以導致信號失真。

與三階交調\(2f_1-f_2\)和\(2f_2− f_1\)相關的輸出電壓按\(V^3_0\)增長，與線性產物 \(f_1\)和\(f_2\)相關的輸出電壓按\(V_0\)增長。也就是說，三階交調的輸出功率按輸入功率的 3次方增長；線性產物 \(f_1\)和$ f_2$的輸出功率按輸入功率的1次方增長。

三階交調輸出功率隨輸入功率變化的斜率為3，線性產物輸出功率隨輸入功率變化的斜率為 1，說明當輸入功率增大時，三階交調輸出功率比線性產物輸出功率增長得快。圖中延伸三階交調與線性產物的線性區，可以得到兩條曲線的假想交叉點，這個假想的交叉點稱為三階截止點IP，IP點的輸出功率值為\(P_{IP}\)。IP點的功率值\(P_{IP}\)越大，放大器的動態范圍越大，功率放大器希望有高的IP點。

無寄生動態范圍\(DR_f\)

當三階交調信號等於最小輸出可檢信號功率\(P_{out,mds}\)時，線性產物輸出功率與三階交調輸出功率的比值稱為無寄生動態范圍\(DR_f\)。若頻率\(f_1\)的線性產物輸出功率用\(P_{f1}\)表示，三階交調\(2 f_1− f_2\)的輸出功率用\(P_{2f_1-f_2}\)表示，\(DR_f\)為

\[DR_f=\frac{P_{f1}}{P_{2f1-f2}}=\frac{P_{f1}}{P_{out,mds}} \]

或

\[DR_f=P_{f1}-P_{out,mds}dB \]

考慮到三階交調輸出功率隨輸入功率變化的斜率為3，線性產物輸出功率隨輸入功率變化的斜率為1，則

\[DR_f=\frac{2}{3}(P_{IP}-P_{out,mds})dB \]

基於交調失真定義的動態范圍\(DR_f\)小於基於1dB增益壓縮定義的動態范圍DR。