射频放大器

1.放大器性能指标

在射频放大器的设计中，需要分析的技术指标很多，其中最重要的就是稳定性、增益和噪声。

1.1稳定性

由于反射波的存在，射频放大器在某些工作频率或终端条件下有产生振荡的倾向，不再发挥放大器的作用，因此必须分析射频放大器的稳定性。
稳定性是指射频放大器抑制环境的变化（如信号频率、温度、源、负载等变化时），维持正常工作特性的能力。

1.1.1稳定条件

放大器的二端口网络

如果反射系数的模大于 1，传输线上反射波的振幅将比入射波的振幅大，这将导致放大器不稳定。因此，放大器稳定意味着反射系数的模小于1，即

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

对于信源\(|\Gamma_S|<1\)和负载\(|\Gamma_L|<1\)，有如下2种性质的稳定。
（1）条件稳定：只对部分而非所有的\(|\Gamma_S|<1\)和\(|\Gamma_L|<1\)有

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

（2）绝对稳定：对于所有的\(|\Gamma_S|<1\)和\(|\Gamma_L|<1\)均有

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

绝对稳定是放大器稳定的一个特例，是指在频率等特定的条件下，放大器在\(\Gamma_L\)和\(\Gamma_S\)的整个史密斯圆图内都处于稳定状态。也就是说，\(\Gamma_L\)和\(\Gamma_S\)选择任何的值，放大器都绝对稳定。

绝对稳定判别的解析法

绝对稳定要求

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

同时稳定因子\(k\)大于1

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

1.1.2放大器稳定措施

当放大器不是绝对稳定，有时信源和负载选择的\(\Gamma_S\)和\(\Gamma_L\)会造成\(\Gamma_{in}\)>1或\(\Gamma_{out}\)>1，使放大器处于非稳定状态。此时应当采取措施，使放大器进入稳定状态。

稳定放大器的措施就是在其不稳定的端口增加一个串联或并联的电阻，以保证总输入阻抗为正。图为输入端口的稳定电路，增加了串联电阻\(R'_{in}\)或并联电导\(G'_{in}\)。

同样，在输出端口增加一个串联或并联的电阻，如图所示，若保证总输出阻抗为正，也可以保证输出端口稳定。

用增加电阻的方法实现放大器稳定，会带来一些副作用，如增益减小、噪声加大、放大器输出功率减小等。由于晶体管输入端加电阻会增加输入损耗，进而转化为输出端较大的噪声指数，因此一般不在输入端加电阻，而采用在输出端加电阻达到晶体管稳定的目的。

1.2放大器增益性

在低频放大电路中，放大器的增益通常用电压放大系数表示；在射频放大电路中，放大器的增益通常用功率增益进行描述。放大器的功率增益不仅取决于晶体管的参数，还与输入输出匹配网络有关。

射频放大器的功率增益有多种描述方式，常用的有转换功率增益、资用功率增益、功率增益（也称为工作功率增益）等，当\(S_{12}\)=0时还需要讨论单向化功率增益。

单级放大器的一般框图

放大器的功率增益有多种定义，它们取决于放大器的运行机制。现分别对与增益相关的不同功率给予定义。

• \(P_{in}\)——晶体管输入端口的输入功率
• \(P_{AVS}\)——匹配状态下源的资用功率。它是在\(\Gamma_{in}=\Gamma^*_S\)时\(P_{in}\)的特例。
• \(P_{L}\)——负载吸收的功率。
• \(P_{AVN}\)——匹配状态下晶体管的资用功率。它是在\(\Gamma_{out}=\Gamma^*_L\)时PL的特例。

转换功率增益:

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

资用功率增益:

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

工作功率增益（也称为功率增益）:

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

单向化功率增益:

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

放大器的增益受晶体管的增益\(G_0\)、输入匹配网络有效增益\(G_S\)和输出匹配网络有效增益\(G_L\)的控制。当\(\Gamma_{in}=\Gamma^*_S\),\(\Gamma_{out}=\Gamma^*_L\)时，\(G_S\)和\(G_L\)的值达到最大化，放大器可以有最大增益。

1.3输入输出电压驻波比及失配因子

在很多情况下，放大器的特性用输入和输出电压驻波比描述，而且电压驻波比必须保持在特定指标之下。若驻波比为1，称为匹配；若驻波比不为1，称为失配。信源与晶体管之间及晶体管与负载之间都会出现失配

源失配因子定义为

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

\(M_S\)是用来衡量传送到晶体管输入端的功率\(P_{in}\)占信源资用功率\(P_{AVS}\)的比例，取值范围为\(M_S\)≤1。如果\(\Gamma_{in}=\Gamma^*_S\)，MS=1，意味着信源资用功率全部送给了晶体管。

同样可以定义负载失配因子为

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

\(M_L\)是用来衡量传送到负载的功率\(P_L\)占晶体管资用功率\(P_{AVN}\)的比例，取值范围为\(M_L\)≤1。如果\(\Gamma_{out}=\Gamma^*_L\)，\(M_L\)=1，意味着晶体管的资用功率全部送给了负载。

1.4放大器的噪声

小信号放大通常是射频放大电路的第一级，这时放大器必须尽可能降低噪声，在低噪声的前提下进行放大。前面讨论过放大器的增益，但放大器的最小噪声与放大器的最大增益相冲突，最小噪声与最大增益不能同时达到，设计中需要兼顾噪声和增益两个方面，因此需要讨论噪声参数，以便得到最佳设计。

• 放大器的噪声系数F 定义为放大器总输出噪声\(P_{No}\)与\(P_{(No)i}\)的比值，噪声系数F也可以由放大器输入端额定信噪比与输出端额定信噪比的比值来确定。
• n个放大器级连的总噪声系数仅第一级对总噪声有较大影响，因此放大电路的第一级必须尽可能降低噪声。
• \(F_{min}\)表示\(Y_S=Y_{opt}\)（\(Y_{opt}\)为最小噪声系数的最佳源导纳，通常由制造商提供）时晶体管的最小噪声系数。
• 等F曲线是圆方程，称为等噪声系数圆，噪声系数F越大圆的半径越大。

2.放大器的分类

根据静态工作点的不同，放大器主要分为以下4类。
（1）A类放大器
A类放大器也称为甲类放大器。工作于这种状态的放大器，晶体管在整个信号的周期内均导通。
（2）B类放大器
B类放大器也称为乙类放大器。工作于这种状态的放大器，晶体管仅在半个信号的周期内导通。
（3）AB类放大器
AB类放大器也称为甲乙类放大器。工作于这种状态的放大器，对于小信号工作于A类，对于大信号工作于B类。
（4）C类放大器
C类放大器也称为丙类放大器。工作于这种状态的放大器，晶体管的导通时间小于半个信号周期。

放大器的效率定义为射频输出功率与直流输入功率之比，A类放大器的效率最低，不超过50%；B类放大器的理论效率为78%；C类放大器的效率可以接近100%。

根据信号大小的不同，放大器可以分为小信号工作模式和大信号工作模式。在小信号及大信号这2种不同的工作模式下，放大器的设计方法不同。
（1）小信号分析法
当输入交流信号的幅度与恒定偏压值相比是一个小量级时，器件的工作状态近似为线性的，可以采用小信号分析法。

（2）大信号分析法
当输入交流信号的幅度很大时，交流信号的工作区域会超出器件的线性工作区域，进入非线性工作区域，引起器件非线性工作，这时用大信号分析法。

3.放大器的偏置网络

偏置网络的设计是直流电路的设计，偏置电路的作用是在特定的工作条件下为放大器提供适当的静态工作点，以保持放大器工作特性的恒定。

偏置电路是直流的通路，射频电路是射频交流信号的通路。偏置电路与射频电路是一个放大器中不可分割的两部分，但希望直流的通路与射频交流信号的通路之间能够完全隔离，以消除直流与射频交流信号之间的耦合。

为此，偏置电路与射频电路之间的连接可以采取以下3种方案。
（1）在直流源与射频电路之间连接一个电感，即通常所说的射频扼流（RFC）。RFC可以有效地阻塞射频信号，但对直流可以视为无损耗通路，直流可以无损耗地通过RFC。
（2）在直流源与射频电路之间连接一个λ/4阻抗变换器。阻抗变换器的特性阻抗应很高，其可以对射频信号产生很高的阻抗。
（3）将一个大电容作为负载接于λ/4阻抗变换器的终端，可以有效地短路可能泄露到偏置电路中的射频信号。大电容在射频频率下呈现短路，经λ/4阻抗变换器后，相当于开路，从而可以隔断射频信号。

4.A类放大器

当工作频率大于1GHz时，常使用A类功率放大器。

（1）1dB增益压缩点
当晶体管的输入功率达到饱和状态时，其增益开始下降，或者称为压缩。典型的输入输出功率关系可以画在双对数坐标中，如图所示，当输入功率较低时，输出与输入功率成线性关系；当输入功率超过一定的量值之后，输出与输入功率为非线性关系，晶体管的增益开始下降。

当晶体管的功率增益从其小信号线性功率增益下降1dB时，对应的点称为1dB增益压缩点。小信号线性功率增益记为\(G_{0dB}\)，1dB增益压缩点的功率增益记为\(G_{1dB}\)，即

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

（2）动态范围（DR）
动态范围基本是放大器的线性工作范围。

（3）交调失真

理想的线性放大器没有交调失真，小信号射频放大器往往也不考虑交调失真。

三阶截止点（IP）
在非线性放大器的输入端加2个或2个以上频率的正弦信号时，在输出端会产生附加频率分量，这会引起输出信号的失真。三阶交调\(2f_1-f_2\)和\(2f_2− f_1\)由于距\(f_1\)和\(f_2\)太近而落在了放大器的频带内，不易用滤波器滤除，可以导致信号失真。

与三阶交调\(2f_1-f_2\)和\(2f_2− f_1\)相关的输出电压按\(V^3_0\)增长，与线性产物 \(f_1\)和\(f_2\)相关的输出电压按\(V_0\)增长。也就是说，三阶交调的输出功率按输入功率的 3次方增长；线性产物 \(f_1\)和$ f_2$的输出功率按输入功率的1次方增长。

三阶交调输出功率随输入功率变化的斜率为3，线性产物输出功率随输入功率变化的斜率为 1，说明当输入功率增大时，三阶交调输出功率比线性产物输出功率增长得快。图中延伸三阶交调与线性产物的线性区，可以得到两条曲线的假想交叉点，这个假想的交叉点称为三阶截止点IP，IP点的输出功率值为\(P_{IP}\)。IP点的功率值\(P_{IP}\)越大，放大器的动态范围越大，功率放大器希望有高的IP点。

无寄生动态范围\(DR_f\)

当三阶交调信号等于最小输出可检信号功率\(P_{out,mds}\)时，线性产物输出功率与三阶交调输出功率的比值称为无寄生动态范围\(DR_f\)。若频率\(f_1\)的线性产物输出功率用\(P_{f1}\)表示，三阶交调\(2 f_1− f_2\)的输出功率用\(P_{2f_1-f_2}\)表示，\(DR_f\)为

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

或

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

考虑到三阶交调输出功率随输入功率变化的斜率为3，线性产物输出功率随输入功率变化的斜率为1，则

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

基于交调失真定义的动态范围\(DR_f\)小于基于1dB增益压缩定义的动态范围DR。