第7章 射频放大器的稳定性、增益和噪声(吉大通信)
合集下载
ADS实验教程RFCD放大器7
不管ΓS ，ΓL 如何取值，圆心所在区域总是非稳定区。
晶体管稳定性
绝对稳定条件1
放大器设计
若|S11|＜1和|S22|＜1，绝对稳定可描述如下： 1）稳定性判定圆必须完全落在单位圆|ГS|=1和|ГL|=1之外。如下图所示。
ГLI
|ГL| =1 Cout ГLR
|Гin|=1
rout
|Гout|=1
ГLR
|S11|>1时，原点所在区域为非稳定区域 S L D in 11 因为 若ГL＝0，则|Гin|=|S11| ГL平面上的输出稳定圆 1 S22 L 右上图在|S11|<1及|S11|>1时的稳定与非稳定区域如下图所示。注意|ГL|≤1
ГLI |ГL| =1 Cout 非稳定区 |Гin|=1 ГLI |Гin|=1
rout
|ГL| =1
rout
Cout
稳定区 ГLR
稳定区
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱГLR
非稳定区
(a) |S11|<1
(b) |S11|>1
上图示意了输出端口稳定或非稳定的ГL取值范围, 为电路设计提供指导。
晶体管稳定性
输入稳定圆
R S
放大器设计
同样，令|Гout|=1可得关于ГS的输入端口稳定性判定圆的方程：
C
R 2 in
晶体管的稳定性
放大器设计
射频微波放大器与振荡器属于有源器件，是射频微波电子系统不可缺少的功 能单元，它们分别起着放大及产生微波信号的作用 一般晶体管存在稳定及非稳定两个区域，是工作于放大状态还是振荡状态， 取决于输入及输出端的匹配设计 晶体管的稳定性 若将射频微波晶体管视为一个两端口网络，则此网络由一定偏置条件下晶体 管的S参量及外部终端条件ΓL和ΓS确定，如图所示 ΓS ΓL ZS VS ~ [S] ZL
射频功率放大器的稳定性分析
中可以看到在该射频放大器的设计中各个单元放大模块和整机合成输出端都配有环流器使得由负载端反射回放大器的反射波全部被环流器所连接的负载所吸收防止反射过大对放大器造成损坏因此从放大器输出端向后看其所接负载始终是匹配负载
射频功率放大器的稳定性分析
吕剑锋1 孙 虹2
(1. 华中科技大学电子与信息学院 430074) (2. 中科院高能物理研究所加速器中心 100039)
则输入稳定圆图如图 2 :
(9) (10)
图 2 输入稳定圆图
一般都有| S11 | < 1 ,图中所示为条件稳定情况 , 当从二端口网络向输入端看其输入端阻抗落在图中
标志 U nstable 的部分 ,则会引起放大器的不稳定运
行 。如果要无条件稳定 ,则| Гout | 圆应该在| ГS | 的 Smit h 阻抗圆图外面 ,即 :
Abstract : This paper describes how to analyze the stability of a RF amplifier theoretically , and then gives a specific method to measure the stability of the 1. 3 GHz power source by the R3765CG vector network ana2 lyzer made by ADVAN TEST , lastly states how to use the Matlab to deal with the data. Keywords : RF amplifier , stabilit y , S parameter , Smit h Chart .
只分析输入稳定性 ,运用数学工具从 (4) ～ (7) 可以
射频功率放大器的稳定性分析
吕剑锋1 孙 虹2
(1. 华中科技大学电子与信息学院 430074) (2. 中科院高能物理研究所加速器中心 100039)
则输入稳定圆图如图 2 :
(9) (10)
图 2 输入稳定圆图
一般都有| S11 | < 1 ,图中所示为条件稳定情况 , 当从二端口网络向输入端看其输入端阻抗落在图中
标志 U nstable 的部分 ,则会引起放大器的不稳定运
行 。如果要无条件稳定 ,则| Гout | 圆应该在| ГS | 的 Smit h 阻抗圆图外面 ,即 :
Abstract : This paper describes how to analyze the stability of a RF amplifier theoretically , and then gives a specific method to measure the stability of the 1. 3 GHz power source by the R3765CG vector network ana2 lyzer made by ADVAN TEST , lastly states how to use the Matlab to deal with the data. Keywords : RF amplifier , stabilit y , S parameter , Smit h Chart .
只分析输入稳定性 ,运用数学工具从 (4) ～ (7) 可以
第7章 射频放大器的稳定性、增益和噪声(吉大通信)
（2）若(|S22|>1，则史密斯圆图中心点 在稳定区域外。分两种情况。
① 若输入稳定判别圆包含史密斯圆图 中心点（如图7.3（c）所示），ΓS的稳定 区域是史密斯圆图单位圆内输入稳定判别 圆外的区域，是图7.3（c）中的阴影区。 ② 若输入稳定判别圆不包含史密斯圆 图中心点（如图7.3（d）所示），ΓS的稳定 区域是史密斯圆图单位圆内输入稳定判别圆 内的区域，是图7.3（d）中的阴影区。
第7章 射频放大器的稳定性、 增益和噪声
在放大器的设计中，需要考虑的因素 很多，其中最重要的就是稳定性、增益和 噪声。本章将对上述问题的特性作系统讨 论，以便下一章集中讨论各类放大器的设 计。
7.1
放大器的稳定性
7.2
放大器的增益
7.3
输入、输出电压驻波比
7.4
放大器的噪声
7.1 放大器的稳定性
7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。
图7.11 单级放大器及信号流图
1. 转换功率增益
2. 资用功率增益
3. 功率增益
功率增益为
4. 单向化功率增益
7.2.2 最大功率增益
可以采用固定功率增益法设计放大器， 此时预期的放大器功率增益为GP，这一期 望的值小于GPmax。也可以采用固定资用功 率增益法设计放大器，此时预期的放大器 资用功率增益为GA，这一期望的值小于 GAmax。
（1） 固定功率增益法 （2）固定资用功率增益法
7.3 输入、输出电压驻波比
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。信源与晶体管 之间及晶体管与负载之间的失配程度对驻 波比有影响，下面讨论失配因子及电压驻 波比。
射频前端设计中的低噪声放大器设计原则
射频前端设计中的低噪声放大器设计原则在射频前端设计中，低噪声放大器是至关重要的组成部分。
在设计低噪声放大器时，需要遵循一些原则以确保放大器的性能达到最佳状态。
首先，要选择合适的器件。
在设计低噪声放大器时，应选择高品质、低噪声的放大器器件。
常用的低噪声放大器器件包括场效应晶体管（FET）和双极晶体管（BJT）。
这些器件的噪声特性直接影响到整个放大器的性能，因此选择适当的器件至关重要。
其次，要注意电路匹配。
在低噪声放大器设计中，电路匹配是十分重要的。
通过进行合适的匹配，可以降低信号与噪声之间的干扰，从而提高放大器的性能。
电路匹配通常通过使用阻抗匹配网络来实现，确保输入与输出之间的阻抗匹配良好。
此外，要注意布局设计。
在低噪声放大器设计中，良好的布局设计可以有效地减少干扰和噪声。
应尽量减少电路路径长度，降低电路中的电感和电容，以减少信号与噪声之间的相互影响。
此外，应注意良好的接地设计，确保信号的良好接地，避免地线回流和干扰。
另外，要进行合适的偏置设计。
在低噪声放大器设计中，正确的偏置设计可以有效地提高放大器的性能。
合适的偏置电流可以提高放大器的线性度和稳定性，从而减少噪声的影响。
应根据所选用的器件类型和工作频率进行合适的偏置设计，以确保放大器性能的优化。
最后，要进行合适的仿真和测试。
在设计低噪声放大器时，应进行充分的仿真和测试，以验证电路设计的正确性和性能。
通过仿真可以提前发现潜在问题并进行调整，从而减少后期调试的时间和成本。
在实际测试中，应使用专业的测试设备和方法进行性能测试，确保放大器的性能达到设计要求。
综上所述，在设计射频前端中的低噪声放大器时，需要遵循一些设计原则，包括选择合适的器件、注意电路匹配、注意布局设计、进行合适的偏置设计以及进行充分的仿真和测试。
通过遵循这些原则，可以设计出性能优异的低噪声放大器，从而提高整个射频前端系统的性能和可靠性。
射频放大器设计考核试卷
B.频谱分析仪
C.功率计
D.噪声系数分析仪
三、填空题（本题共10小题，每小题2分，共20分，请将正确答案填到题目空白处）
1.射频放大器通常工作在_______频率范围。
2.为了提高射频放大器的稳定性，可以采用_______电路设计。
3.射频放大器中的_______是衡量其效率的重要指标。
4.在射频放大器设计中，_______是影响线性度的关键因素。
B.带宽
C.线性度
D.噪声系数
10.在射频放大器中，以下哪些电路可以用来实现匹配？（）
A. L型匹配网络
B. π型匹配网络
C. T型匹配网络
D.耦合器
11.射频放大器的输出功率与以下哪些因素有关？（）
A.晶体管的功率增益
B.匹配网络的效率
C.电源电压
D.输出负载
12.以下哪些情况下可能发生射频放大器的失真？（）
A. L型匹配网络
B. π型匹配网络
C. T型匹配网络
D.所有上述匹配网络
8.射频放大器中的噪声主要来源于哪个部分？（）
A.晶体管
B.电阻
C.电容
D.电感
9.在射频放大器设计中，如何降低噪声系数？（）
A.增加晶体管数量
B.减小增益
C.降低工作频率
D.选用低噪声晶体管
10.射频放大器的线性度与哪个参数有关？（）
8. ABCD
9. ABCD
10. ABC
11. ABC
12. ABC
13. ABC
14. AD
15. ABCD
16. ABC
17. ABCD
18. ABC
19. ABCD
20. ABCD
三、填空题
C.功率计
D.噪声系数分析仪
三、填空题（本题共10小题，每小题2分，共20分，请将正确答案填到题目空白处）
1.射频放大器通常工作在_______频率范围。
2.为了提高射频放大器的稳定性，可以采用_______电路设计。
3.射频放大器中的_______是衡量其效率的重要指标。
4.在射频放大器设计中，_______是影响线性度的关键因素。
B.带宽
C.线性度
D.噪声系数
10.在射频放大器中，以下哪些电路可以用来实现匹配？（）
A. L型匹配网络
B. π型匹配网络
C. T型匹配网络
D.耦合器
11.射频放大器的输出功率与以下哪些因素有关？（）
A.晶体管的功率增益
B.匹配网络的效率
C.电源电压
D.输出负载
12.以下哪些情况下可能发生射频放大器的失真？（）
A. L型匹配网络
B. π型匹配网络
C. T型匹配网络
D.所有上述匹配网络
8.射频放大器中的噪声主要来源于哪个部分？（）
A.晶体管
B.电阻
C.电容
D.电感
9.在射频放大器设计中，如何降低噪声系数？（）
A.增加晶体管数量
B.减小增益
C.降低工作频率
D.选用低噪声晶体管
10.射频放大器的线性度与哪个参数有关？（）
8. ABCD
9. ABCD
10. ABC
11. ABC
12. ABC
13. ABC
14. AD
15. ABCD
16. ABC
17. ABCD
18. ABC
19. ABCD
20. ABCD
三、填空题
微波放大器相关理论
对射频/微波通信应以而言，放大器主要完成两大任务，一是增强接收机的低电平信号，一是提升发射机的高电平输出信号。
虽然它们的功能、尺寸和功率要求不尽相同，但这两种放大器都受益于晶体管技术的持续改进。
根据输出要求的不同，放大器种类十分广泛，可以从微型芯片到带数字接口的完整子系统。
一般来说，更高集成度，比如将放大器和其它收发器件一起嵌入在芯片上，仍然受到小信号设计的欢迎。
而大多数大信号放大器或功率放大器仍采用分立晶体管和分立匹配器件进行设计。
功率晶体管的体积本身就要比低噪声或小信号晶体管大。
它们比低噪声晶体管散发更多的热量，需要更大的支撑性(阻抗匹配、供电)无源器件，这些都使得功率放大器的体积要大过低噪声放大器(LNA)。
功率放大器的工作电流在安培数量级，而LNA只需要毫安级的电流。
微波低噪声设计和功率放大器设计曾经都由GaAs场效应晶体管(FET)主导。
但其它晶体管架构的不断推出，如GaAs异质结双极晶体管(HBT)和高电子迁移率晶体管(HEMT)，给高频LNA放大器设计师提供了替代传统高频硅双极晶体管和GaAs FET的可能。
对于较高频率的功率放大器来说，GaAs FET仍是必选的器件。
但在较低频率，硅横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)晶体管具有很高的功率密度。
许多供应商同时提供LNA和功率放大器，而一些供应商可能只专做其中的一种。
大多数公司可以让用户选择特定带宽或宽带的放大器，这种宽带放大器可以用于不同的应用。
例如， Microwave Solutions公司同时提供特定频带内的功率放大器和LNA。
该公司的MSH-5617902的功率放大器用于从5.9GHz至*GHz的C 波段应用，其1dB压缩点输出功率为+40dBm，三阶截取点输出为+49dBm，在+12V 直流电源下可提供40dB增益，消耗电流7A。
虽然不是专门针对低噪声设计，但它能实现难得的8dB噪声系数。
高频调谐放大器的稳定性
由于： yre
= gre + jωCre
• • • •
b ′c
一 般 当 忽 略 rb b ′ 时 ，
y re ≈ j ω C
故为了简便，常用 一 个 电 容 CN 来 抵 消 C b ′ c 的影响
二、提高放大器稳定性的方法
如下图所示，通过中和电容 C 过 C b ′c 产 生 的 内 部 反 馈 电 流
(
)
2.2.5高频调谐放大器的稳定性
一、 稳定性的分析
2
由上分析知，放大器输入回路的总导纳为 Ys
产生自激的条件
+ Yi ，
而当
Ys + Yi = 0 ⇒ gs + gie + g F = 0
反馈能量抵消了回路消耗的能量， 放大器自激，导纳部分相互抵消。
所以，放大器产生自激的条件为：
Y s + y ie −
近似关系：
返回
y′ ≈ yie ， yr′ ≈ i
由于一般有
y fe >> ( yre + yoe ) 可 见 复 合 管 的 反 向 传 输 导 纳 比
yre ( yre + yoe ) ， y fe
y ′f ≈ y fe
，
′ yo ≈ − yre
继续
共 射 管 的 y re 小ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ得 多 。 通 常 小 1 到 2 个 数 量 级 ， 说 明 复 合 管 的 工
y fe y re
(Y
即
s
′ y oe + Y L + y ie )( y oe y fe y re
=0
+ Y L′
)
= 1
一般：
= gre + jωCre
• • • •
b ′c
一 般 当 忽 略 rb b ′ 时 ，
y re ≈ j ω C
故为了简便，常用 一 个 电 容 CN 来 抵 消 C b ′ c 的影响
二、提高放大器稳定性的方法
如下图所示，通过中和电容 C 过 C b ′c 产 生 的 内 部 反 馈 电 流
(
)
2.2.5高频调谐放大器的稳定性
一、 稳定性的分析
2
由上分析知，放大器输入回路的总导纳为 Ys
产生自激的条件
+ Yi ，
而当
Ys + Yi = 0 ⇒ gs + gie + g F = 0
反馈能量抵消了回路消耗的能量， 放大器自激，导纳部分相互抵消。
所以，放大器产生自激的条件为：
Y s + y ie −
近似关系：
返回
y′ ≈ yie ， yr′ ≈ i
由于一般有
y fe >> ( yre + yoe ) 可 见 复 合 管 的 反 向 传 输 导 纳 比
yre ( yre + yoe ) ， y fe
y ′f ≈ y fe
，
′ yo ≈ − yre
继续
共 射 管 的 y re 小ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ得 多 。 通 常 小 1 到 2 个 数 量 级 ， 说 明 复 合 管 的 工
y fe y re
(Y
即
s
′ y oe + Y L + y ie )( y oe y fe y re
=0
+ Y L′
)
= 1
一般：
放大器增益及稳定性
线性度（动态范围）、交调失真、谐波、反向隔离等
放大器的二端口网络表示
所有放大器，不管其内部结构是什么，都可以 用线性二端口模型来描述。
当频率在RF频段以上时，通常采用S（散射）参
量来描述网络。
s11
b1 a1
a2 0
s21
b2 a1
a2 0
1 a1 b1
1'
[S]
a2 2 b2
2'
s22
b2 a2
1 S
(1 S
)2
K
]
bS 1 1 1S
放大器的功率关系
所以，放大器的入射 波功率：
Pinc
1 2
a1
2
1 2
bs 2 1 ins
2
显然，放大器输入端 的实际输入功率应为 入射波功率减去反射 波功率，即:
Pin
1 2
a1
2
1 2
b1
2
1 2
a1
2
1 2
a1in
2
1 2
a1
2 (1
in
2)
1 2
GT反映了晶体管S参数和网络输入、输出端 匹配程度对增益的影响。
单向转换功率增益
如果忽略放大器反馈的影响，即认为S12=0，则 Γin=S11，Γout=S22，这时有：
bs 2 1 ins
2
பைடு நூலகம்
(1
in
2)
放大器的功率关系
如果放大器的输入阻抗与信号源的阻抗共轭匹
配，即:
Zin
Z
s
，或
in s
。则信号源到放大
器之间有最大功率传输。
在共轭匹配下信号源传给负载（放大器）的最 大功率定义为信号源的资用功率（记作PA）：
放大器的二端口网络表示
所有放大器，不管其内部结构是什么，都可以 用线性二端口模型来描述。
当频率在RF频段以上时，通常采用S（散射）参
量来描述网络。
s11
b1 a1
a2 0
s21
b2 a1
a2 0
1 a1 b1
1'
[S]
a2 2 b2
2'
s22
b2 a2
1 S
(1 S
)2
K
]
bS 1 1 1S
放大器的功率关系
所以，放大器的入射 波功率：
Pinc
1 2
a1
2
1 2
bs 2 1 ins
2
显然，放大器输入端 的实际输入功率应为 入射波功率减去反射 波功率，即:
Pin
1 2
a1
2
1 2
b1
2
1 2
a1
2
1 2
a1in
2
1 2
a1
2 (1
in
2)
1 2
GT反映了晶体管S参数和网络输入、输出端 匹配程度对增益的影响。
单向转换功率增益
如果忽略放大器反馈的影响，即认为S12=0，则 Γin=S11，Γout=S22，这时有：
bs 2 1 ins
2
பைடு நூலகம்
(1
in
2)
放大器的功率关系
如果放大器的输入阻抗与信号源的阻抗共轭匹
配，即:
Zin
Z
s
，或
in s
。则信号源到放大
器之间有最大功率传输。
在共轭匹配下信号源传给负载（放大器）的最 大功率定义为信号源的资用功率（记作PA）：
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
① 若输出稳定判别圆包含史密斯圆图 中心点（如图7.2（a）所示），ΓL的稳定区 域在输出稳定判别圆内。ΓL的稳定区域是史 密斯圆图单位圆内输出稳定判别圆内的区域， 是图7.2（a）中的阴影区。 ② 若输出稳定判别圆不包含史密斯圆 图中心点（如图7.2（b）所示），ΓL的稳定 区域在输出稳定判别圆外。ΓL的稳定区域是 史密斯圆图单位圆内输出稳定判别圆外的区 域，是图7.2（b）中的阴影区。
（2）若(|S22|>1，则史密斯圆图中心点 在稳定区域外。分两种情况。
① 若输入稳定判别圆包含史密斯圆图 中心点（如图7.3（c）所示），ΓS的稳定 区域是史密斯圆图单位圆内输入稳定判别 圆外的区域，是图7.3（c）中的阴影区。 ② 若输入稳定判别圆不包含史密斯圆 图中心点（如图7.3（d）所示），ΓS的稳定 区域是史密斯圆图单位圆内输入稳定判别圆 内的区域，是图7.3（d）中的阴影区。
由于晶体管的增益G0是固定的，放大 器的总增益受输入匹配网络有效增益GS和 输出匹配网络有效增益GL的控制。
GS和GL的值可能大于1。当GS和GL的 值达到最大化时，放大器可以有最大增益。 当输入匹配网络与输出匹配网络能保证晶 体管的输入和输出端分别实现共轭匹配时， 放大器可以实现最大增益。
在共轭匹配的状态下，晶体管既能从 源获得最大输入功率，又能输出给负载最 大功率。
|Γin|>1和|Γout|>1用输入阻抗表达，为
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电阻，以保证总 输入阻抗为正。图7.7示出了输入端口的稳 定电路，增加了串联电阻R′in或并联电导 G′in。
图7.7 串联或并联电阻稳定输入端口
同样，在输出端口增加一个串联或并 联的电阻，如图7.8所示，若保证总输出阻 抗为正，也可以保证输出端口稳定。
7.1.1 稳定准则
放大器的二端口网络如图7.1所示，在它的输入端接 有一个内阻为ZS的源VS，在它的输出端接有负载ZL。
图7.1 接有源和负载的放大器二端口网络
图中传输线上有反射波传输，源的反射系数为ΓS;负载的反 射系数为ΓL；二端口网络输入端的反射系数为Γin；二端口 网络输出端的反射系数为Γout。
7.2.1 功率增益的定义
图7.10 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。
图7.11 单级放大器及信号流图
1. 转换功率增益
2. 资用功率增益
3. 功率增益
功率增益为
4. 单向化功率增益
7.2.2 最大功率增益
基于共轭匹配的概念，当
7.2.3 晶体管单向情况
当S12=0时，晶体管是单向的。实际应 用中，有时可以忽略晶体管自身反馈的影 响，视S12≈0。
当晶体管近似为单向时，可以带来设 计上的诸多便利，此时
Γin和Γout彼此独立，这意味着输入匹 配网络与输出匹配网络无关，可以各自独 立设计。下面在晶体管单向的前提下，讨 论放大器的增益，同时给出单向化设计带 来的误差。
可以采用固定功率增益法设计放大器， 此时预期的放大器功率增益为GP，这一期 望的值小于GPmax。也可以采用固定资用功 率增益法设计放大器，此时预期的放大器 资用功率增益为GA，这一期望的值小于 GAmax。
（1） 固定功率增益法 （2）固定资用功率增益法
7.3 输入、输出电压驻波比
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。信源与晶体管 之间及晶体管与负载之间的失配程度对驻 波比有影响，下面讨论失配因子及电压驻 波比。
前面讨论过放大器的稳定性和增益， 但放大器的低噪声与放大器的稳定性和增 益相冲突，例如最小噪声与最大增益就不 能同时达到，因此需要讨论噪声参数，以 便得到最佳设计。
下面，首先介绍噪声的表示方法和级 联网络的噪声特性；然后在史密斯圆图上 画出等噪声系数圆。
7.4.1 等效噪声温度和噪声系
数
一个电阻可能产生的最大资用热噪声 功率为 PN=kTB （7.99）
图7.4 绝对稳定时稳定判别圆与史密斯圆图的相对位置
7 .1. 3 绝对稳定判别的解析法
图7.5 例7.1用图
图7.6 例7.2用图
7.1.4 放大器稳定措施
当放大器不是绝对定，则有时信源 和负载选择的ΓS和ΓL会造成|Γin|>1或 |Γout|>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。
设计射频放大器时，必须考虑电路的 稳定性，这一点与低频电路的设计方法完 全不同。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。 稳定性是指放大器抑制环境的变化 （如信号频率、温度、源和负载等变化 时），维持正常工作特性的能力。
1. 最大增益
当晶体管双向时，同时满足式（7.47） 和（7.48）可以得到放大器的最大增益。 式（7.47）和（7.48）是输入与输出同时达 到共轭匹配
2. 固定增益、等功率增益和等资 用功率增益圆
固定增益是指放大器的增益达到某一 期望的值，这一期望的值小于放大器的最 大增益。对于双向晶体管来说，固定增益 放大器的设计将变得比较复杂。
3. 绝对稳定
绝对稳定是稳定的一个特例，是指在 频率等特定的条件下，放大器在ΓL和ΓS的 整个史密斯圆图内都处于稳定状态。 也就是说，ΓL和ΓS选择任何|ΓL|<1和 |ΓS|<1的值，放大器都绝对稳定。
若|S11|<1且|S22|<1，则满足下列条件 之一的放大器是绝对稳定的。
（1）输出稳定判别圆包含ΓL的史密 斯圆图，输入稳定判别圆包含ΓS的史 密斯圆图，如图7.4（a）所示。 （2）输出稳定判别圆完全位于ΓL的 史密斯圆图外，输入稳定判别圆完全 位于ΓS的史密斯圆图外，如图7.4（b） 所示。
2. 输入稳定判别圆
（1）若|S22|<1，则史密斯圆图中心点在 稳定区域内。分两种情况。
① 若输入稳定判别圆包含史密斯圆图中 心点（如图7.3（a）所示）， ΓS的稳定区域 是史密斯圆图单位圆内输入稳定判别圆内的 区域，是图7.3（a）中的阴影区。
② 若输入稳定判别圆不包含史密斯圆图 中心点（如图7.3（b）所示），ΓS的稳定区 域是史密斯圆图单位圆内输入稳定判别圆外 的区域，是图7.3（b）中的阴影区。
1. 最大增益 2. 固定增益设计和等增益圆 3. 单向化设计误差因子
图7.12 例7.6用图
7.2.4 晶体管双向情况
当S12≠0且采用单向化设计会产生较大 误差时，就不能忽略晶体管反馈的影响， 这时必须考虑晶体管的双向情况。
由于
所以双向晶体管的Γin和Γout不再彼此 独立，这使双向晶体管比单向晶体管的情 况复杂。下面在晶体管双向的前提下，讨 论放大器的增益。
1. 输出稳定判别圆
ΓL复平面上输出稳定判别圆及史密斯 圆图如图7.2所示，输出稳定判别圆将ΓL复 平面划分为圆内和圆外两部分，从图中可 见输出稳定判别圆决定了史密斯圆图内ΓL 的稳定区域。 下面讨论ΓL的稳定区域。
（1）若(|S11|<1，则史密斯圆图中心点 （ΓL=0点）在稳定区域内。分2种情况。
（2）若(|S11)|>1，则史密斯圆图中心点 （ΓL=0点）在稳定区域外。分2种情况。
① 若输出稳定判别圆包含史密斯圆图 中心点（如图7.2（c）所示），ΓL的稳定 区域在输出稳定判别圆外。ΓL的稳定区域 是史密斯圆图单位圆内输出稳定判别圆外 的区域，是图7.2（c）中的阴影区。 ② 若输出稳定判别圆不包含史密斯圆 图中心点（如图7.2（d）所示），ΓL的稳 定区域在输出稳定判别圆内。ΓL的稳定区 域是史密斯圆图单位圆内输出稳定判别圆 内的区域，是图7.2（d）中的阴影区。
第7 章 射频放大器的稳定性、 增益和噪声
在放大器的设计中，需要考虑的因素 很多，其中最重要的就是稳定性、增益和 噪声。本章将对上述问题的特性作系统讨 论，以便下一章集中讨论各类放大器的设 计。
7.1
放大器的稳定性
7.2
放大器的增益
7.3
输入、输出电压驻波比
7.4
放大器的噪声
7.1 放大器的稳定性
7.3.1 失配因子
源失配因子定义为
负载失配因子为
7.3.2 输入、输出驻波分析
放大器如图7.13所示，输入、输出电 压驻波比为
图7.13放大器输入及输出端口的失配
7.4 放大器的噪声
设计有源网络时，需要考虑噪声问题。 对放大器来说，噪声的存在对整个设计有 重要影响，在低噪声的前提下对信号进行 放大是对放大器的基本要求。
图7.14 有噪声放大器的等效模型
7.4.2 级连网络的等效噪声温 度和噪声系数
图7.15 2级放大器的级连
7.4.3 噪声系数圆
图7.17 等噪声系数圆
图7.8 串联或并联电阻稳定输出端口
图7.9 例7.3用图
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 出端加电阻来达到晶体管稳定的目的。
7.2 放大器的增益
对输入信号进行放大是放大器最重要 的任务，因此在放大器的设计中，增益的 概念很重要。
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
7.1.2 稳定性判别的图解法
ΓL、ΓS和S参量对放大器的稳定性有 影响，但由于S参量对于特定条件（频率、 温度、外加信号的大小等）是固定值，所 以对稳定性有影响的就只有ΓL和ΓS。下面 在ΓL和ΓS的复平面上讨论稳定区域，用图 解的方法给出结论。
（2）若(|S22|>1，则史密斯圆图中心点 在稳定区域外。分两种情况。
① 若输入稳定判别圆包含史密斯圆图 中心点（如图7.3（c）所示），ΓS的稳定 区域是史密斯圆图单位圆内输入稳定判别 圆外的区域，是图7.3（c）中的阴影区。 ② 若输入稳定判别圆不包含史密斯圆 图中心点（如图7.3（d）所示），ΓS的稳定 区域是史密斯圆图单位圆内输入稳定判别圆 内的区域，是图7.3（d）中的阴影区。
由于晶体管的增益G0是固定的，放大 器的总增益受输入匹配网络有效增益GS和 输出匹配网络有效增益GL的控制。
GS和GL的值可能大于1。当GS和GL的 值达到最大化时，放大器可以有最大增益。 当输入匹配网络与输出匹配网络能保证晶 体管的输入和输出端分别实现共轭匹配时， 放大器可以实现最大增益。
在共轭匹配的状态下，晶体管既能从 源获得最大输入功率，又能输出给负载最 大功率。
|Γin|>1和|Γout|>1用输入阻抗表达，为
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电阻，以保证总 输入阻抗为正。图7.7示出了输入端口的稳 定电路，增加了串联电阻R′in或并联电导 G′in。
图7.7 串联或并联电阻稳定输入端口
同样，在输出端口增加一个串联或并 联的电阻，如图7.8所示，若保证总输出阻 抗为正，也可以保证输出端口稳定。
7.1.1 稳定准则
放大器的二端口网络如图7.1所示，在它的输入端接 有一个内阻为ZS的源VS，在它的输出端接有负载ZL。
图7.1 接有源和负载的放大器二端口网络
图中传输线上有反射波传输，源的反射系数为ΓS;负载的反 射系数为ΓL；二端口网络输入端的反射系数为Γin；二端口 网络输出端的反射系数为Γout。
7.2.1 功率增益的定义
图7.10 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。
图7.11 单级放大器及信号流图
1. 转换功率增益
2. 资用功率增益
3. 功率增益
功率增益为
4. 单向化功率增益
7.2.2 最大功率增益
基于共轭匹配的概念，当
7.2.3 晶体管单向情况
当S12=0时，晶体管是单向的。实际应 用中，有时可以忽略晶体管自身反馈的影 响，视S12≈0。
当晶体管近似为单向时，可以带来设 计上的诸多便利，此时
Γin和Γout彼此独立，这意味着输入匹 配网络与输出匹配网络无关，可以各自独 立设计。下面在晶体管单向的前提下，讨 论放大器的增益，同时给出单向化设计带 来的误差。
可以采用固定功率增益法设计放大器， 此时预期的放大器功率增益为GP，这一期 望的值小于GPmax。也可以采用固定资用功 率增益法设计放大器，此时预期的放大器 资用功率增益为GA，这一期望的值小于 GAmax。
（1） 固定功率增益法 （2）固定资用功率增益法
7.3 输入、输出电压驻波比
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。信源与晶体管 之间及晶体管与负载之间的失配程度对驻 波比有影响，下面讨论失配因子及电压驻 波比。
前面讨论过放大器的稳定性和增益， 但放大器的低噪声与放大器的稳定性和增 益相冲突，例如最小噪声与最大增益就不 能同时达到，因此需要讨论噪声参数，以 便得到最佳设计。
下面，首先介绍噪声的表示方法和级 联网络的噪声特性；然后在史密斯圆图上 画出等噪声系数圆。
7.4.1 等效噪声温度和噪声系
数
一个电阻可能产生的最大资用热噪声 功率为 PN=kTB （7.99）
图7.4 绝对稳定时稳定判别圆与史密斯圆图的相对位置
7 .1. 3 绝对稳定判别的解析法
图7.5 例7.1用图
图7.6 例7.2用图
7.1.4 放大器稳定措施
当放大器不是绝对定，则有时信源 和负载选择的ΓS和ΓL会造成|Γin|>1或 |Γout|>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。
设计射频放大器时，必须考虑电路的 稳定性，这一点与低频电路的设计方法完 全不同。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。 稳定性是指放大器抑制环境的变化 （如信号频率、温度、源和负载等变化 时），维持正常工作特性的能力。
1. 最大增益
当晶体管双向时，同时满足式（7.47） 和（7.48）可以得到放大器的最大增益。 式（7.47）和（7.48）是输入与输出同时达 到共轭匹配
2. 固定增益、等功率增益和等资 用功率增益圆
固定增益是指放大器的增益达到某一 期望的值，这一期望的值小于放大器的最 大增益。对于双向晶体管来说，固定增益 放大器的设计将变得比较复杂。
3. 绝对稳定
绝对稳定是稳定的一个特例，是指在 频率等特定的条件下，放大器在ΓL和ΓS的 整个史密斯圆图内都处于稳定状态。 也就是说，ΓL和ΓS选择任何|ΓL|<1和 |ΓS|<1的值，放大器都绝对稳定。
若|S11|<1且|S22|<1，则满足下列条件 之一的放大器是绝对稳定的。
（1）输出稳定判别圆包含ΓL的史密 斯圆图，输入稳定判别圆包含ΓS的史 密斯圆图，如图7.4（a）所示。 （2）输出稳定判别圆完全位于ΓL的 史密斯圆图外，输入稳定判别圆完全 位于ΓS的史密斯圆图外，如图7.4（b） 所示。
2. 输入稳定判别圆
（1）若|S22|<1，则史密斯圆图中心点在 稳定区域内。分两种情况。
① 若输入稳定判别圆包含史密斯圆图中 心点（如图7.3（a）所示）， ΓS的稳定区域 是史密斯圆图单位圆内输入稳定判别圆内的 区域，是图7.3（a）中的阴影区。
② 若输入稳定判别圆不包含史密斯圆图 中心点（如图7.3（b）所示），ΓS的稳定区 域是史密斯圆图单位圆内输入稳定判别圆外 的区域，是图7.3（b）中的阴影区。
1. 最大增益 2. 固定增益设计和等增益圆 3. 单向化设计误差因子
图7.12 例7.6用图
7.2.4 晶体管双向情况
当S12≠0且采用单向化设计会产生较大 误差时，就不能忽略晶体管反馈的影响， 这时必须考虑晶体管的双向情况。
由于
所以双向晶体管的Γin和Γout不再彼此 独立，这使双向晶体管比单向晶体管的情 况复杂。下面在晶体管双向的前提下，讨 论放大器的增益。
1. 输出稳定判别圆
ΓL复平面上输出稳定判别圆及史密斯 圆图如图7.2所示，输出稳定判别圆将ΓL复 平面划分为圆内和圆外两部分，从图中可 见输出稳定判别圆决定了史密斯圆图内ΓL 的稳定区域。 下面讨论ΓL的稳定区域。
（1）若(|S11|<1，则史密斯圆图中心点 （ΓL=0点）在稳定区域内。分2种情况。
（2）若(|S11)|>1，则史密斯圆图中心点 （ΓL=0点）在稳定区域外。分2种情况。
① 若输出稳定判别圆包含史密斯圆图 中心点（如图7.2（c）所示），ΓL的稳定 区域在输出稳定判别圆外。ΓL的稳定区域 是史密斯圆图单位圆内输出稳定判别圆外 的区域，是图7.2（c）中的阴影区。 ② 若输出稳定判别圆不包含史密斯圆 图中心点（如图7.2（d）所示），ΓL的稳 定区域在输出稳定判别圆内。ΓL的稳定区 域是史密斯圆图单位圆内输出稳定判别圆 内的区域，是图7.2（d）中的阴影区。
第7 章 射频放大器的稳定性、 增益和噪声
在放大器的设计中，需要考虑的因素 很多，其中最重要的就是稳定性、增益和 噪声。本章将对上述问题的特性作系统讨 论，以便下一章集中讨论各类放大器的设 计。
7.1
放大器的稳定性
7.2
放大器的增益
7.3
输入、输出电压驻波比
7.4
放大器的噪声
7.1 放大器的稳定性
7.3.1 失配因子
源失配因子定义为
负载失配因子为
7.3.2 输入、输出驻波分析
放大器如图7.13所示，输入、输出电 压驻波比为
图7.13放大器输入及输出端口的失配
7.4 放大器的噪声
设计有源网络时，需要考虑噪声问题。 对放大器来说，噪声的存在对整个设计有 重要影响，在低噪声的前提下对信号进行 放大是对放大器的基本要求。
图7.14 有噪声放大器的等效模型
7.4.2 级连网络的等效噪声温 度和噪声系数
图7.15 2级放大器的级连
7.4.3 噪声系数圆
图7.17 等噪声系数圆
图7.8 串联或并联电阻稳定输出端口
图7.9 例7.3用图
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 出端加电阻来达到晶体管稳定的目的。
7.2 放大器的增益
对输入信号进行放大是放大器最重要 的任务，因此在放大器的设计中，增益的 概念很重要。
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
7.1.2 稳定性判别的图解法
ΓL、ΓS和S参量对放大器的稳定性有 影响，但由于S参量对于特定条件（频率、 温度、外加信号的大小等）是固定值，所 以对稳定性有影响的就只有ΓL和ΓS。下面 在ΓL和ΓS的复平面上讨论稳定区域，用图 解的方法给出结论。