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基于Matlab的RF电路设计与仿真 第4页

更新时间:2014-6-29:  来源:毕业论文

基于Matlab的RF电路设计与仿真 第4页
3  RF晶体管放大器设计
射频放大器与常规低频放大器的设计方法完全不同,它需要考虑一些特殊的因素。尤其是人射电压波和人射电流波都必须对有源器件良好匹配,以便降低电压驻波比、避免寄生振荡。所以,稳定性分析通常被作为射频放大器设计工作的第一个步骤。稳定性分析以及增益圆、噪声系数圆都是放大器电路设计所必须的基本要素,依据这些要素设计出符合增益、增益平坦度、输出功率、宽带和偏置条件等苛刻要求的放大器。
3.1 放大器的性能指标
图3-1是一个插入在输入、输出匹配网络之间的常规单级放大器电路:
图中,输入、输出匹配网络可用于减小有害反射从而增加功率流容量。放大器的指标是由其在特定偏置条件下的S参量确定的。以下是放大器特性指标的关键参数:
增益及增益平坦度(以dB表示)
工作频率及带宽(单位:Hz)
输出功率(单位:dBm)
直流输入功率(单位:V和A)
输入、输出反射系数(VSWR)
噪声系数(以dB表示)
此外,还需要考虑其他参数,如交调失真(IMD)、谐波、反馈以及热效应,所有这些都会影响放大器性能。
3.2 放大器的功率关系
为方便研究,假设两个匹配网络含在信号源和负载阻抗中,依据功率流关系考察图3-2,以下小节均对此图进行讨论:

3.2.1射频源
图3-2中,信号源电压为:             (3.1)
对应于的入射功率波(即放大器的入射功率)为:     (3.2)
放大器输入端口的实际输入功率为:   (3.3)
当放大器的输入阻抗与信号源的内阻符合共轭匹配条件(也即)时,信号源到放大器之间有最大传输功率。在最大功率传输条件下,定义资用功率为:
             (3.4)
3.2.2 转换功率增益
转换功率增益定量的描述了插入在信号源与负载之间的放大器增益。
                       (3.5)
其中:为负载反射系数,为源反射系数。引入输入、输出反射系数后
                            (3.6)
通常我们用单向化功率增益来近似,单向化功率增益忽略了放大器反馈效应的影响():
                   (3.7
3.2.3其他功率关系

负载端口匹配()条件下的资用功率增益定义是:
                       (3.8)
另外,功率增益的定义是负载吸收功率与放大器输入功率的比值:
                     (3.9)    
3.3 稳定性判定
3.3.1稳定性判定圆
放大器电路必须满足的首要条件之一是其在工作频段内的稳定性。
我们将放大器视为一个两端口网络,该网络有S参量及外部终端条件和确定。稳定性意味着反射系数的模小于1。即:
               ,                          (3.10a)
                                (3.10b)
                               (3.10c)
其中,,由于S参量对于额定频率是固定值,所以对稳定性有影响的参数只有和。
考虑放大器的输出端口,需要建立适当的条件使等式(3.10b)成立。为此将:         (3.11)
带入(3.10b)整理得输出端口稳定性判定圆的方程:
          (3.12)
其中,圆半径为:                            (3.13)
圆心坐标为:    (3.14) , 如图3-3(a)所示:
同样,考察放大器的输入端口,可得输入端口稳定性判定圆的方程:
                           (3.15)
其中,圆半径为:                             (3.16)
圆心坐标为:    (3.17)  如图3-3(b)所示。
3.3.2绝对稳定
   绝对稳定是指在选定的工作频率和偏置条件下,放大器在整个Smith圆图内始终处于稳定状态。绝对稳定的充分条件是:
                      (3.18)
例如考察一个晶体管的稳定区,其S参量的测量值为:,由上述公式可计算出
。由于,该晶体管有潜在的不稳定性。我们由附录B.1的M文件可得到图3-4如下:
图3-4中红色圆为输入稳定性判定圆,蓝色圆为输出稳定性判定圆。从图上可以看出两判定圆都落在了Smith圆图之内。由于和都小于1,即Smith圆图的原点就是稳定点,另外有,所以稳定性判定圆的内部是稳定区。

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