第9章 放大器的設(shè)計(jì)

射頻電路理論與設(shè)計(jì)（第2版）

第9章

放大器的設(shè)計(jì)

本章介紹各類放大器的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)放大器首先要選擇適當(dāng)?shù)木w管，在選擇了有特定參量的晶體管后，放大器主要通過設(shè)計(jì)輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。本章首先討論放大器的分類和偏置網(wǎng)絡(luò)；然后對(duì)小信號(hào)討論高增益、低噪聲和寬帶放大器；最后討論功率放大器和多級(jí)放大器。

放大器的工作狀態(tài)和分類9.1放大器的偏置網(wǎng)絡(luò)9.2小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)9.3功率放大器的設(shè)計(jì)9.4多級(jí)放大器的設(shè)計(jì)9.59.1放大器的工作狀態(tài)和分類 9.1.1基于靜態(tài)工作點(diǎn)的放大器分類 根據(jù)靜態(tài)工作點(diǎn)的不同，放大器可以分為以下4類。

（1）A類放大器（2）B類放大器（3）AB類放大器（4）C類放大器

圖9.1基于靜態(tài)工作點(diǎn)的放大器分類

9.1.2基于信號(hào)大小的放大器分類 根據(jù)信號(hào)大小的不同，放大器可以分為小信號(hào)工作模式和大信號(hào)工作模式，分述如下。

（1）小信號(hào)分析法 當(dāng)輸入交流信號(hào)的幅度與恒定偏壓值相比是一個(gè)小量級(jí)時(shí)，器件的工作狀態(tài)近似線性，可以采用小信號(hào)分析法。

（2）大信號(hào)分析法 當(dāng)輸入交流信號(hào)的幅度很大時(shí)，交流信號(hào)的工作區(qū)域會(huì)超出器件的線性工作區(qū)域，進(jìn)入非線性工作區(qū)域，引起器件非線性工作，這時(shí)用大信號(hào)分析法。9.2放大器的偏置網(wǎng)絡(luò)

偏置網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是直流電路的設(shè)計(jì)，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(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，以保持放大器工作特性的恒定。

9.2.1偏置電路與射頻電路之間的連接 偏置電路是直流的通路，射頻電路是射頻交流信號(hào)的通路，偏置電路與射頻電路是一個(gè)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(hào)的通路之間能夠完全隔離，以消除直流與射頻交流信號(hào)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(gè)電感，即通常所說的射頻扼流圈（RFC）。射頻扼流圈可以有效阻塞射頻信號(hào)，但對(duì)直流可以視為無損耗通路。

（2）在直流源與射頻電路之間連接一個(gè)λ/4的阻抗變換器，阻抗變換器的特性阻抗應(yīng)很高，可以對(duì)射頻信號(hào)產(chǎn)生很高的阻抗。

（3）將一個(gè)大電容作為負(fù)載接于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(hào)。大電容在射頻頻率下呈現(xiàn)短路，經(jīng)λ/4阻抗變換器后，相當(dāng)于開路，從而可以隔斷射頻信號(hào)。

9.2.2偏置電路的設(shè)計(jì) 偏置電路有許多設(shè)計(jì)方法，這里舉例說明?？疾烊鐖D9.2所示的2種偏置電路，圖中RFC將射頻信號(hào)與直流電源隔離開。

圖9.2偏置電路

RFC可以更換為λ/4阻抗變換器，這時(shí)λ/4阻抗變換器可將大電容CB端口對(duì)射頻信號(hào)的短路狀態(tài)變換為晶體管端口的開路狀態(tài)。9.3小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)

本節(jié)討論多種小信號(hào)放大器的射頻電路設(shè)計(jì)，其中每種放大器都是注重放大器某些方面的特性，如注重增益、噪聲系數(shù)或帶寬等。下面首先給出小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)步驟，然后分別討論各類小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)。

9.3.1小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)步驟（1）根據(jù)放大器設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，選擇合適的晶體管。

（2）確定晶體管的直流工作點(diǎn)。 對(duì)雙極結(jié)型晶體管（BJT），將工作點(diǎn)偏置在IC-VCE曲線的中部；對(duì)場效應(yīng)晶體管（FET），將工作點(diǎn)偏置在ID-VDS曲線的中部。

（3）在直流工作點(diǎn)下，測量晶體管的S參量。 如果沒有測量條件，可以參考生產(chǎn)商提供的典型參數(shù)值。

（4）在工作頻率下，用解析法（k>1，|Δ|<1）檢驗(yàn)晶體管的穩(wěn)定性。 如果晶體管不是絕對(duì)穩(wěn)定，應(yīng)在史密斯圓圖上畫出輸入和輸出穩(wěn)定判別圓，確定穩(wěn)定區(qū)域。

（5）考察能否使用單向化設(shè)計(jì)。 若S12=0，可以使用單向化設(shè)計(jì)；若S12≠0，計(jì)算單向化設(shè)計(jì)誤差因子U，如果誤差在可允許的范圍內(nèi)，可以使用單向化設(shè)計(jì)；若S12≠0，但U表明誤差超出可允許的范圍，使用雙向化設(shè)計(jì)。

（6）設(shè)計(jì)射頻輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，以達(dá)到下面的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

●

最大增益放大器 ●固定增益放大器 ●最小噪聲放大器 ●低噪聲放大器 ●寬帶放大器

圖9.3小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)步驟

9.3.2最大增益放大器的設(shè)計(jì) 最大增益放大器，需要考慮單向化設(shè)計(jì)和雙向化設(shè)計(jì)2種情況。

無論是單向化設(shè)計(jì)還是雙向化設(shè)計(jì)，都要保證信源與晶體管之間以及晶體管與負(fù)載之間達(dá)到共軛匹配，這導(dǎo)致ΓS和ΓL的取值是唯一的。當(dāng)?shù)玫溅和ΓL后，可以設(shè)計(jì)輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，并可以得到最大增益的數(shù)值。

圖9.4例9.1用圖

9.3.3固定增益放大器的設(shè)計(jì) 固定增益是小于最大增益的某一特定值。在許多情況下，設(shè)計(jì)要求達(dá)到固定增益而不是最大增益，以便兼顧放大器的其他指標(biāo)或滿足放大器增益的設(shè)定值。

固定增益放大器的設(shè)計(jì)需要考慮單向化設(shè)計(jì)和雙向化設(shè)計(jì)2種情況，下面分別給出設(shè)計(jì)過程。

單向化設(shè)計(jì)需要根據(jù)指標(biāo)要求分配GS和GL的取值，并根據(jù)GS和GL取值畫出輸入、輸出等增益圓。

輸入、輸出等增益圓分別表示為

晶體管雙向時(shí)，可以采用功率增益法設(shè)計(jì)放大器。這時(shí)需要根據(jù)功率增益的值畫出等功率增益圓，在任選等功率增益圓上滿足穩(wěn)定性的一個(gè)ΓL后，可以計(jì)算出Γin，進(jìn)而利用ΓS=Γin可以計(jì)算出ΓS。

需要說明的是，當(dāng)選擇了ΓL后，ΓS唯一確定。由ΓS和ΓL可以設(shè)計(jì)輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。等功率增益圓表示為|ΓL－CgP|=rgP

圖9.6例9.3用圖

圖9.7例9.4用圖

圖9.10例9.7用圖

9.3.5低噪聲放大器的設(shè)計(jì) 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是要在輸入端噪聲系數(shù)不超過給定值的前提下，獲得設(shè)定的增益。低噪聲放大器的設(shè)計(jì)需要畫出等噪聲系數(shù)圓。等噪聲系數(shù)圓可以寫為|ΓS－CF|=rF

圖9.11例9.8用圖

圖9.12例9.9用圖

9.3.6寬帶放大器的設(shè)計(jì) 帶寬為中心工作頻率的10%（或更低）的放大器為窄帶放大器。例如，中心工作頻率為1GHz的窄帶放大器，工作頻率范圍小于950～1050MHz。前面討論的小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)思路和方法適用于窄帶放大器。

帶寬可以用倍頻程表示，一個(gè)倍頻程是任意一個(gè)給定頻率f與該頻率的2倍（2f）或二分之一（f/2）之間的頻率區(qū)域。在一個(gè)倍頻程以上的寬頻帶范圍內(nèi)，若放大器具有基本平坦的頻率曲線和基本平坦的功率增益，可以稱為寬帶放大器。

1.寬帶放大器的特性隨頻率而變化 隨著工作帶寬的增加，放大器晶體管參量和匹配網(wǎng)絡(luò)的特性將隨頻率的變化而變化，造成放大器設(shè)計(jì)復(fù)雜化。這些變化主要如下。

（1）晶體管參量S21隨頻率的升高而下降，下降可達(dá)6dB/倍頻程。晶體管參量S12隨頻率的升高而升高，升高可達(dá)6dB/倍頻程。

（2）穩(wěn)定性因子k與|S12S21|有關(guān)，所以放大器的穩(wěn)定性取決于|S12S21|隨頻率的變化。（3）放大器的增益與S參量有關(guān)，S參量隨頻率的變化會(huì)影響增益的平坦性。

（4）放大器的噪聲與S參量有關(guān)，S參量隨頻率的變化會(huì)影響噪聲系數(shù)。（5）放大器輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的特性隨頻率變化。

2.寬帶放大器的設(shè)計(jì)方法 由于寬帶放大器帶來了上述問題，必須對(duì)寬帶放大器的設(shè)計(jì)給予特殊考慮。寬帶放大器的設(shè)計(jì)方法是多樣的，可以采取以下4個(gè)方法設(shè)計(jì)。

（1）補(bǔ)償匹配網(wǎng)絡(luò)。（2）平衡放大器。（3）負(fù)反饋。（4）分布放大器。

3.寬帶放大器的設(shè)計(jì)舉例（1）補(bǔ)償匹配網(wǎng)絡(luò)（2）平衡放大器

圖9.13例9.10用圖

圖9.14平衡放大器9.4功率放大器的設(shè)計(jì)

前面只討論了小信號(hào)放大器。小信號(hào)放大器輸入信號(hào)功率足夠小，可以假定晶體管是線性器件，此時(shí)放大器的設(shè)計(jì)是基于小信號(hào)的S參量進(jìn)行的。

功率放大