RF Circuit design(Topic 7)_放大器稳定性判定
微波电路与系统放大器稳定性ppt课件
句话说，即稳定性判定圆必须完全落在单位圆
和
．之外
稳定性系数K
稳定因子(Rollett因子)K
稳定参数
ADS中的稳定性控件
K
B1
μ
μ‘
ADS中的输入稳定性圆 和输出稳定性圆
放大器的稳定措施
稳定有源器件的一个方法就是在其不稳定的端 口增加一个串联或并联的电阻。图9．10给出 了输入端口的电路。
放大器的稳定措施（续1）
这个电阻必须与
一起抵消掉
的
负值成分。因此，我们要求：
其中， 。
可以由 求得； 是源端内阻
同理，可以给出输出端口的稳定电路和相应相 应的稳定条件：
双向设计首先了解器件的输入/输出稳定性园
改善稳定性的措施
通过在输入回路添加串联电阻或在输出回路添 加并联电阻可以很容易地改善晶体管的稳定性 使其变为无条件稳定。例如本例中的晶体管在 500MHz时，输入端添加一个R=0.18(50) = 9Ω 或R= 1/(0.117*0.02) = 430 Ω 的并联电 阻就会使输入和输出稳定性园出现在原图之外 。当然对具有一定带宽的放大器，在设计完输 入输出匹配电路以后必须检查在整个频带的稳 定性。如果改善稳定性的电阻包含在匹配网络 中，通常它不会影响增益。
仿真模型
仿真结果
仿真结果表 明该器件不 是单向的。 在500MHz 如果采用单 向近似，将 会引入超过 1dB的误差 。
双向设计
如果器件设计频率是无条件稳定（K > 1），于是 输入输出可以共轭匹配并能够获得最大可用增益 。ΓMS 和 ΓML 能够被唯一地确定。在这种状态输 入输出电压驻波比VSWR= 1 。 共轭匹配反射系 数能够用ADS中S-parameter palette中测量方程 图标Smgam1和Smgam2 计算。
电路中的放大器稳定性分析
电路中的放大器稳定性分析放大器是电子电路中常见的设备，用于放大电信号的幅度。
在电路设计中，放大器的稳定性是一个重要的考虑因素。
稳定性指的是电路在各种运行条件下保持稳定的能力。
本文将详细介绍电路中的放大器稳定性分析。
一、引言在电子电路中，放大器是一种关键组件。
它可以将电信号的弱信号放大至足够大的幅度，以便进行后续的处理或传输。
放大器的稳定性对电路的整体性能至关重要。
二、放大器的稳定性问题放大器的稳定性问题主要涉及到两个方面：反馈环路和频率响应。
在放大器中，反馈环路是一个常见的设计策略，它可以控制放大器的增益，并提高放大器的稳定性。
然而，反馈环路也可能引入稳定性问题，例如振荡。
1. 反馈环路的稳定性反馈环路可以分为正反馈和负反馈两种类型。
正反馈会增加放大器的输出，而负反馈则会减小放大器的输出。
负反馈可以增加放大器的稳定性，但过多的负反馈可能导致放大器的带宽减小。
因此，在设计反馈环路时，需要平衡增益和稳定性的要求。
2. 频率响应的稳定性频率响应是衡量放大器性能的一个重要指标，它描述了放大器在不同频率下的增益特性。
放大器的频率响应可能受到电容、电感、阻抗等元件的影响。
在分析放大器的频率响应时，需要考虑这些元件的特性，并选择合适的组件以保持系统的稳定。
三、放大器稳定性分析的方法在电路设计中，有几种常用的方法可以用来分析放大器的稳定性。
以下是一些常见的方法：1. Nyquist准则Nyquist准则是一种通过绘制频率响应曲线上的虚线轨迹来评估放大器的稳定性的方法。
当轨迹穿过-1点（点（-1,0）表示的是相位延迟为180度，增益衰减为1的状态），放大器就处于稳定状态。
如果轨迹围绕-1点多次，则放大器可能会产生振荡。
2. 极点分析法极点是放大器传递函数中的根，通过分析极点的位置和数量，可以得出放大器的稳定性。
通常情况下，放大器的极点应该位于开环增益曲线上，并且具有负实部。
如果放大器的极点位于稳定区域之外，那么它可能是不稳定的。
射频功率放大器的稳定性分析
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
放大器的精度和稳定性
电路结构建议采用典型电路形式和厂商提供的电路，许多电路结构都是经过很多工程师们反复实验和验证过的。
采用OP构成的放大器电路的精度主要与外部元器件参数有关，例如放大倍数与外接的电阻有关。
解决放大器的稳定性就比较复杂了，涉及到放大器的电路结构、PCB布局、电源供给、以及放大器所在的系统环境等等、等等。
一些建议如下：与分立器件相比，现代集成运算放大器（op amp）和仪表放大器（in-amp）为设计工程师带来了许多好处。
虽然提供了许多巧妙、有用并且吸引人的电路。
往往都是这样，由于仓促地组装电路而会忽视了一些非常基本的问题，从而导致电路不能实现预期功能——或者可能根本不工作放大器电路设计：如何避免常见问题。
（1）最常遇到的一个应用问题是在交流（AC）耦合运算放大器或仪表放大器电路中没有提供偏置电流的直流（DC）回路。
在图1中，一只电容器与运算放大器的同相输入端串联以实现AC耦合，这是一种隔离输入电压（VIN）的DC分量的简单方法。
这在高增益应用中尤其有用，在那些应用中哪怕运算放大器输入端很小的直流电压都会限制动态范围，甚至导致输出饱和。
然而，在高阻抗输入端加电容耦合，而不为同相输入端的电流提供DC通路，会出现问题。
图1 运算放大器AC耦合输入错误的连接形式（2）在仪表放大器的输出端和ADC的输入端之间通常接一个简单的RC低通抗混叠滤波器以减少带外噪声。
RC低通滤波器的典型值：R = 50Ω~ 200Ω，C = 1/(2πR F)，按电路的-3 dB带宽设置C的取值。
（3）当从电源电压利用分压器为放大器提供参考电压时应保证PSR性能一个经常忽视的问题是电源电压VS的任何噪声、瞬变或漂移都会通过参考输入按照分压比经过衰减后直接加在输出端。
实际的解决方案包括旁路滤波以及甚至使用精密参考电压IC 产生的参考电压，例如ADR121，代替Vs分压。
当设计带有仪表放大器和运算放大器的电路时，这方面的考虑很重要。
电源电压抑制技术用来隔离放大器免受其电源电压中的交流声、噪声和任何瞬态电压变化的影响。
1-7小信号谐振放大器的稳定性
输入
R7
R10 R11
C7
C8
5. C13 1k 560 pF
C14 输出 560 pF
150
0.047F
R6
5.1k R9 5.6k –8V 稳压 2k R3 C4
10k
0.0 47 F
R14 R12 2.7k C9 C6 0.047F R13 1.5 k
200 C10 0.047F C11 R17 5.1k R18 C12 0.047F
，
注： Auo s 的计算公式通常是在已知晶体管参数的条件下，根据稳定系 数S的要求来确定自己设计的放大器的允许的最高电压增益。只要
实际放大器的电压增益 Auo s，这个放大器就是稳定的。
4.稳定系数S值的确定
令放大器输出端总导纳为 YII yoe Y 则放大器输入导纳可表示为 Yi yie 假设放大管的 rbb 可忽略，有
令：A
AV 0 max AV 0
解方程得：
Qe Qe 2 2 P [ A(1 ) A (1 ) 1]2 Q0 Q0
上式表明，要使放大器的增益等于最大稳定增益，P值可 能有两个值，即有两种可能的适配方式。
接入系数n1n2的确定：
在选定管子、 Qe/Q0后，要实现上述P值，要选定n1和n2 ， 使之满足： 2 n1 g o1 P 2 n2 g i 2
y fe 26.42 36.42 45.0 ms
fe arctg
36.4 54 26.4
Auo S
S yre 1 cos fe re
2 y fe
12.52
这说明用该晶体管设计放大器，只要放大器电压增益不大于12.52， 在没有任何稳定措施条件下，放大器是稳定的。即满足 S 5 的要求。
谐振放大器的稳定性与稳定措施.
电气与信息工程学院
3.6.1
谐振放大器的稳定性
3.自激产生的原因(以输入导纳的影响为例) 如果g∑= gs+ gie + gF ＝ 0，即整个回路的能量消耗 为零，回路中储存的能量恒定，在电感与电容之间相互 转换，回路中的等幅振荡得以维持，而不需外加激励。 如果反馈电导为负值，那么 g∑ = gs + gie1 + gF = 0 可能 存在，即发生自激振荡现象。
为了消除自激以及提高放大器的稳定性，下面确定产生 等幅自激振荡的条件。
回路谐振时，g∑= gs+ gie + gF = 0
yfe yre 等于Ys Yi Ys yie yoe YL
=0
令 Y1 Ys yie YS yie e jΦ1 ; Y2 yoe YL yoe YL e jΦ2 ;
可知，当Ys >> yie 和YL′ >> yoe ，稳定系数S大大增加。
Av 0
Av 0
2 yfe S0Cre
p1 p2 yfe p1 p2 yfe 2 g g p p12 g oe1 p2 gie2
但同时 ，增益必须减小。实际上，增益随gL增加而减小。
College of Electrical and Information Engineering
即 gs gie gL goe g; Φ1 Φ2 Φ
g gie g L goe S s
yfe yre cos2 Φ
2( g s g ie )(g L g oe ) ( g s gie )(g L g oe ) ＋ yfe yre 1＋cosfe＋ re re yfe yre cos2 fe 2
3.1.5 调谐放大器的稳定性
3.1.5 调谐放大器的稳定性
（3） 提高调谐放大器稳定性的方法
减小
适当减小接入系数 LC回路中并入阻尼电阻（以增大 ）
反馈电流源
减小
从晶体管本身想办法，使 减小 从电路结构想办法，使其单向化
中和法 失配法
3.1.5 调谐放大器的稳定性 ① 中和法
为外接中和元件。晶体管的输入电流
为了抵消 的影响，要求 与 反相。
3.1.5 调谐放大器的稳定性
② 失配法 失配法的典型电路是采用共射——共基级联放大电路。
第3章 高频小信号放大器 3.1 分散选频放大器
3.1.5 调谐放大器的稳定性 （1）放大器的输入和输出导纳
输入纳：令 ，则
，代入电流方程，整理得
（2） 对放大器的影响 ① 、 分别与 、 有关，给调试及测量带来不便。 ② 将输出电压 的一部分反馈至输入端，使放大器性能不稳定。
干货小议运放构成的放大器的频响与稳定性
干货小议运放构成的放大器的频响与稳定性首先要说明，本帖只针对电压反馈型运放构成的放大器，电流反馈型运放不适合本帖讨论的所有结论。
为了简单，文中用“增益”字样描述电压放大倍数。
先简单描述一下电压反馈型运放运放的开环幅频特性。
通常这种运放在频率相对较低的位置有一个主极点，当频率远低于主极点频率时，运放的增益是A0；在接近主极点频率时增益下降，在主极点频率处大约下降3dB；频率高于主极点后，增益趋于按照-20dB/dec斜率滚降，将此斜率一直延长到增益为0dB处的频率被称为增益带宽积（GBP）。
由于运放存在高阶极点和可能的零点，开环频率特性在接近0dB处的斜率通常要改变（常见的是低于-20dB/dec），所以开环频率特性经过0dB的频率通常并不与GBP相同，尤其是非完全补偿型运放更是相差很大。
运放的开环相频特性是：在远低于主极点频率处，相位为0度；在主极点处约为-45度；高于主极点频率后趋于-90度；在幅频特性接近0dB附近由于高阶极点的影响，相位再次下降，通常全补偿型运放在0dB处约为-140度到-150度左右（也有超出此范围的，但肯定不到-180度），非全补偿型运放在0dB处的相位接近-180度甚至低于-180度。
如果不考虑高阶极点等影响，只用一个主极点描述运放的开环频率特性，那么其表达式是A(jf)=A0/(1+jf/fp)，其中fp就是主极点频率。
另外，还有一个重要表达式是GBP=A0*fp.下面考虑运放加入反馈后的闭环情况。
为了避免混淆，用Ac表示闭环后放大器的频响。
先考虑一个最简单的情况：反馈网络全部由电阻构成，此时反馈系数F是一个实数。
令反馈电阻为RF，运放反相输入端对地电阻为RG，则F=RG/(RG+RF).根据负反馈理论，闭环后放大器的频率特性是Ac(jf)=A(jf)/[1+A(jf)*F]可以证明，在F较小（即放大器增益较大）的条件下，运放的高阶零极点对于闭环后放大器的影响很小，可以忽略，因此用前面只考虑主极点的运放开环频率特性代入上述关系，得到Ac(jf)=(1/F)*{1/[1+jf/(F*GBP)]}所以，闭环后放大器的幅频特性是Ac(f)=(1/F)*{1/sqr[1+(f/(F*GBP))^2]}由这个关系就可以推导在F较小时放大器的幅频特性，以及Ac、f 与GBP三者的关系。
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同理，当输入端口接源阻抗Zs时，由
求出输出端入反射系数：
b1 S11b1s S12 a2 , b2 S21b1s S22 a2
out S 21S12 s S 22 1 S11s
转换功率增益
应用 Γin 、 Γout 的表达式，转换功率增益可以 改写成： 2 2 2
RF Circuit Design: Theory and Application
福州大学通信工程系 许志猛
TOPIC 7-1
主要内容
放大器的基本原理
放大器的分类 放大器的特性指标
放大器的功率关系 放大器的功率增益 放大器的稳定性判定
稳定性判别圆 绝对稳定 有条件稳定 稳定性措施
稳定性判别圆
R0
ä ë Ê È Æ ¥ Å ä ç Â µ «
S12 S11
FET
in
L
ä ö Ê ³ Æ ¥ Å ä ç Â µ «
R0
微波管有内部反馈
A C
S12是反馈，S12、S21有相位移
判断不稳定依据 ：输入或输出端是否等效有负阻
in
in
b1 1 a1
in S11
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） a 参量来描述网络。 a 2 1 b b b2 b1 s11 s21 [S] a2 0 a2 0 2' 1' a1 a1
2 2 1 1
RF/MW放大器的分类
按用途： 低噪声放大器 中频放大器 可变增益放大器 功率放大器
中功率放大器、大功率放大器。
按信号的强弱： 小信号放大器 大信号放大器 按工作范围： 宽带放大器 窄带放大器 按电路组态工作点的位置： A(甲)类、B(乙)类、C（丙）类……等
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）：
PA P in
in s
bs 1 2 (1 in ) 2 2 1 ins
2
in s
1 bs 2 1 s
2
2
可见，信号源资用功率与Γ s有关。
S12 S 21L 1 S 22 L
Z in Z 0 Z in Z 0
2 ( Rin Z 0 ) 2 X in 2 ( Rin Z 0 ) 2 X in
稳定性判别圆
将放大器看作二端口网络，该网络由 S 参数 及外部端接条件ΓL、Γs确定。 稳定意味着反射系数的模小于1，即：
放大器的功率关系
对于输出端口，应用同样的原理分析。 已知a2是放大器端口2的入射波，但对负载来说 它是反射波，所以有：a2 b2L b2 S21a1 S22 , a2 S21a1 S22b2L 又由S参量定义， S 21a1 整理得： b2 1 S 22 L 因此，负载的输入功率（即负载吸收的功率）：
实际功率增益
实际功率增益是指负载吸收功率与放大器输入 功率的比值。 实际功率增益只与S参数、ΓL 有关，而与Γs 无 关（式中Γin也与Γs无关，只与ΓL有关）。 应用 G 的表达式便于研究负载变化对放大器功 率增益的影响。
G PL / Pin
2
PL PA 2 PA Pin 1 S22 L 1 in s
2 2 2 2
输入、输出反射系数
在输出端口接ZL负载时，ΓL＝a2 / b2，代入S参 量公式，有：b1 S11a1 S12b2L , b2 S21a1 S22b2 L
b1 S 21S12 L in S11 a1 1 S 22 L 求出输出端入反射系数：
2 2
GTU
S 21 (1 L )(1 s ) 1 S 22 L 1 S11s
2 2
2
2
2
放大器的稳定性判定
射频放大器内部通常存在着反馈量S12，而反馈系统必 然会引起稳定性问题。 源反射系数、输入端口反射系数、输出端口反射系数 和负载反射系数这四个概念是理解双端口网络稳定性 的关键。 这四个反射系数是各自独立的，由S参量确定。 根据的 Γ物理意义，如果 |Γ|>1 ，则反射波幅度超过入 射波，这说明电路出现正反馈，从而导致不稳定现象。 因此，可以通过反射系数Γ来判断放大器的稳定性。
1 2 1 2 Pin a1 b1 2 2 1 2 1 2 a1 a1in 2 2 1 2 2 a1 (1 in ) 2 bs 1 2 (1 in ) 2 2 1 ins
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 Z Z 配，即: in s ，或 in s 。则信号源到放大
b2 s2a2
[ b ]=[ s ] [ a ]
a1 0
b1=S11a1+S12a2 b2=S21a1+S22a2
ai、bi分别为输入、输出信号的振幅大小。
放大器的网络模型
下图为典型单级放大器，其输入端接信号源，输出 端接负载。
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。 放大器的指标由其在特定偏置条件下的S参量确定。
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：
GTU S 21 (1 L )(1 s ) 1 S 22 L 1 S11s
2 2 2 2 2
——单向化转换功率增益
GTU 与 GT 通常是非常接近的，因而常用上式作为放 大器及其输入、输出网络近似设计的基础。 由放大器的转换功率增益，可导出放大器的实际功 率增益和资用功率增益。
RF/MW放大器的基本原理
放大器是无线收发机中的重要组成部件。 类似于低频放大器， RF/MW 放大器电路是 为了获取稳定的增益，其基本原理相同。 在 RF/MW 放大器电路中通常使用二端口网 络进行描述，用 S 参量表述晶体管的特性， 因此其分析和设计也是基于 S 参量和二端口 网络。 对射频电路而言，要特别关注输入端与输出 端的阻抗匹配问题。
转换功率增益：负载吸收功率与二端口网络输入端的资用 功率之比，与两端阻抗都有关，即：GT=PL/Pa。 实际功率增益：负载吸收功率与二端口网络输入端吸收功率 之比，与源阻抗无关，与负载阻抗有关，即：G=PL/Pin 。 资用功率增益：二端口网络输入资用功率与输出资用功率之 比，源端和负载端均共轭匹配，与源阻抗有关，与负载阻抗 无关。它是放大器增益的最大潜力，即：GA=Pavs/Pavs。
放大器增益总结
Z L Z0 PL L G Z Z 2 2 L 0 Pin (1 L ) 1 S22 L Z S Z0 S 2 2 S (1 ) Z S Z0 Pavn 21 s GA 2 2 Pavs 1 S11 s 1 out in Z in Z 0 S11 S12 S21 L Z in Z 0 1 S 22 L 2 2 2 S21 (1 s )(1 L ) PL Z out Z 0 S12 S 21 S GT S 22 2 2 out Z out Z 0 1 S11 S Pin 1 s in 1 S22 L S21 (1 L )
L 1 ,
in S11
s 1
S 21S12 L S 11 L 1 1 S 22 L 1 S 22 L
转换功率增益
负载吸收功率与信号源资用功率的比值称为 放大器的转换功率增益，即：
GT PL / PA 1 2 (1 L ) 2 2 1 S 22 L
由
S 21a1
2
1 2 1 s
2
bs
2
2
bs a1 (1 ins )
GT S 21 (1 L )(1 s ) 1 S 22 L 1 ins
S
1 1 1
S
S
S 1
S 1 S
S 1
2
S
S 1
2
S
2
因为Γin=Γ1=b1/a1，
bs a1 1 ins
1 1 S
放大器的功率关系
所以，放大器的入射 波功率：
bs 1 2 1 Pinc a1 2 2 1 in s
2 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:
1 2 1 2 1 2 1 S21a1 2 2 PL b2 a2 b2 (1 L ) (1 L ) 2 2 2 2 2 1 S22 L
2
放大器的功率增益
射频微波晶体管放大器功率增益是管子 S参数、信号 源阻抗和负载阻抗的函数。 信号源阻抗、负载阻抗与放大器的匹配状态不同时， 所得功率增益是不同的，通常有：
GT S 21 (1 L )(1 s ) 1 out L 1 S11s
2 2
GT的物理意义是：插入放大器后，负载实际 得到的功率是无放大器时可能得到的最大功 率的多少倍。 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
2 2
S21 (1 L )(1 s )
2
2
2
2
1 2 1 2 2
bs /(1 s )
2 2
2
2
bs (1 in ) / 1 in s