放大器設計ppt課件(已修改)
2025-05-16 00:20 本頁面
【正文】 第 8章 放大器設計 ? 放大器的基本原理 ? 單級晶體管放大器設計 ?MIC介紹 ? 射頻與微波功率放大器 放大器的基本原理 1. 歷史簡述 目前為止 ， 我們已討論過的元件和電路都是線性和無源的 ， 但在實際的微波系統(tǒng)中 ， 總是需要使用某種非線性的和有源的元件 ，包括晶體二極管 、 三極管以及真空電子管器件 ， 可被用于 信號 檢測 、混頻 、 放大 、 倍頻 、 開關以及用作微波和 RF信號源 。 早期無線電工作中 ， 最早的檢波二極管是觸須式晶體檢波器 。用做檢波器和放大器的真空電子管的出現使絕大多數無線電系統(tǒng)摒棄了這一元件 ， 但后來 Southworth在 20世紀 30年代進行的波導實驗仍使用了晶體檢波器 ， 因為在那個年代電子管檢波器達不到如此高的頻率 。 在 20世紀 20年代 ， 為無線電應用還首先開發(fā)了變頻和外差接收 。 隨后 ， 在二次世界大戰(zhàn)期間 ， MIT輻射實驗室把這些相同的技術應用到了微波雷達接收機的設計中 ， 且采用晶體管檢波器作為混頻器 ， 直到 20世紀 60年代微波固態(tài)器件出現重大進展之后 ， 它才不再風光 。 人們發(fā)明了 PIN二極管 ， 并把它用于微波開關和相移器中 。 在 1952年 ， Shockley開發(fā)出了場效應管 （ FET） ， 并且第一批FET是制作在硅片上的 。 第一批微波 GaAs FET開發(fā)于 20世紀 60年代后期 。 此后 ， 微波電路朝單片 微波集成電路 （ MMIC） 趨勢發(fā)展 ， 即把傳輸線 、 有源器件和其他元件集成到單片半導體基片上 。 第一批單一功能的 MMIC是在 20世紀 60年代后期發(fā)展起來的 ， 但更為復雜的電路 、 諸如多級 FET放大器 、 3比特或 4比特相移器 、 整體的發(fā)射 \接收雷達模塊以及其他電路 ， 現在已可加工成 MMIC。 當前的發(fā)展趨勢是有更高性能 、 更低價格和更高復雜度的 MMIC。 在近代 RF和微波系統(tǒng)中 ， 放大 是最基本和廣泛存在的微波電路功能之一 。 早期的微波放大器依賴于電子管 （ 諸如速調管和行波管 ）或基于隧道二極管或變容二極管的負阻特性的固態(tài)反射放大器 。 但自 20世紀 70年代以來 ， 固態(tài)技術驚人的進步和革新 ， 導致今天大多數 RF和微波放大器均采用 晶體管器件 ， 諸如 Si或 SiGe BJT, GaAs HBT, GaAs或 InP FET， 或 GaAs HEMT。 微波晶體管放大器具有結實 、價格低 、 可靠和容易集成在混合和單片集成電路上等優(yōu)點 ， 并可在頻率超過 100GHz范圍內 ， 于需要小體積 、 低噪聲系數 、 寬頻帶和中小功率容量的場合應用 。 2. 放大器二端口功率增益 放大器的增益和穩(wěn)定性分析基于其二端口 S參量 。 ① 二端口功率增益定義 ? 功率增益： G=PL/Pin是耗散在負載 ZL的功率與傳送到二端口網絡的輸入端功率之比 ， 與 ZL有關 ， 而與 Zs無關 。 ? 可用增益： GA=Pavn/Pavs是來自二端口網絡的可用功率與來自源的可用功率之比 ， 求可用功率時 ， 假定源和負載均共軛匹配 ， 且與Zs有關 ， 但與 ZL無關 。 ? 變換功率增益： GT=PL/Pavs是傳送到負載的功率與來自源的可用功率之比，它與 Zs和 ZL均有關。 圖 帶有常規(guī)源和負載阻抗的二端口網絡 若輸入和輸出都與二端口共軛匹配 ， 則增益最大 ， 且 G=GA=GT.。 三種功率增益的表示式： 功率增益 可用功率增益 變換功率增益 與衰減定義的比較 工作衰減 LA： LA=Pavs/PL為來自源的可用功率與負載吸收功率之比 ， 因此 LA=1/GT。 插入衰減 Li： Li=PL0/PL為網絡插入前負載吸收功率與網絡插入后負載吸收功率之比 (111) (112) (113) 工作衰減 LA與插入衰減 Li間相差一個常數 可見 ， 當 Zs=ZL時 ， LA=Li。 變換功率增益在輸入輸出皆匹配時 （ Gs= GL=0） ， GT=|S21|2。 此外若 S12=0（ 或小到可以忽略 ） ， 變換功率增益稱為單向變換功率增益 GTU： ② 二端口功率增益的進一步討論 單級晶體管放大器可以用圖 LsLsiA ZZZZLL4)(lg10 2??? (114) (115) 圖 常用的晶體管放大器電路 設計 ， 最有用的增益定義是 (113)所示的 變換功率增益 ， 該式考慮了源和負載均失配的情況 ， 從 (113)出發(fā)可定義輸入匹配網絡 、 晶體管自身和輸出匹配網絡的有效增益系數： 若晶體管是單向的 ， 即 S12=0（ 或小到可以忽略 ） ， 則 Gin=S11, Gout=S22 ， 單向晶體管增益 GTU =G
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