试验七放大器设计AmplifierDesign.doc

实验七：放大器设计（Amplifier Design） * 一、实验目的： 1.了解射频放大器的基本原理与设计方法。 2.利用实验模组实际测量以了解放大器的特性。 3.学会使用微波软件对射频放大器的设计和仿真，并分析结果。 预习内容： 熟悉放大器原理等理论知识。 熟悉放大器设计相关理论知识。 实验设备： 项次 设备名称 数量 备注 1 MOTECH RF2000 测量仪 1套 亦可用网络分析仪 2 放大器模组 1组 RF2KM7-1A 3 50Ω BNC及1MΩ BNC 连接线 4条 CA-1、CA-2 、CA-3、CA-4 4 直流电源连接线 1条 DC-1 5 MICROWAVE软件 1套 微波软件 理论分析： 一个射频晶体放大顺电路可分为三大部分：二端口有源电路、输入匹配电路及输出匹配电路，如图7-1所示。一般而言，二端口有源电路采用共射极（或共源极）三极管（BJT、FET）电路，此外，还包括直流偏压电路。而输入匹配电路及输出匹配电路大多采用无源电路，即利用电容、电感或传输线来设计电路。一般放大器电路，根据输入信号功率不同可以分为小信号放大器、低噪声放大器及功率放大器三类。而小信号放大器依增益参数及设计要求，可分成最大增益及固定增益两类。而就S参数设计而言，则可有单向设计及双边设计两种。本单元仅就小信号放大器来说明射频放大器之基本理论及设计方法。 单边放大器设计（Unilateral Amplifier Design） 所谓单边设计即是忽略有源器件S参数中的S12，即是S12=0。此时可得： ΓIN = S11 及 ΓOUT = S22 则放大器之单边转换增益(Unilateral Transducer Gain,GTU)为： 其中 假若电路又符合下列匹配条件： ΓS = S11* 及 ΓL = S22* 则可得到此放大器电路之最大单边转换增益(Maximum Unilaterla Transducer Gain,GTU,max)： 双边放大器设计(Bilateral Amplifier Dseign) 双边设计即是考虑有源器件S参数中的S12，即是S12≠0。此时可得： 及 若利用最大增益匹配法（亦称共轭阻抗匹配法），则可得 ΓS =ΓIN* 及 ΓL =ΓOUT* 经过推导可利用下列公式计算出最佳输入反射系数ΓSm和最佳输出反射系数 ΓLm ： ， 其中 单边设计评价因子（Unilateral Figure of Merit , M） 在判断有源元件是否适用单边设计时，主要看它的评价因子是否够小。一般而言，当M值小于0.03或-15dB 时即可采用单边设计。 其计算公式如下： 最大增益误差比则为： 其中GT是有源元件的转换增益(Transducer Gain) 放大器的稳定条件（Stability Criteria） 无条件稳定Unconditionally stable） 一个良好的放大器设计电路除考虑增益和输出入匹配外，还需要考虑放大器在工件频段中是否为无条件稳定，以避免电路产生振荡。如图7-2（a）所示: 对于一个放大器电路而言，其有源器件在ΓS=0及ΓL=0情况下，无条件稳定的充要条件为 K 1 ， |S11| 1 且 |S22| 1 其中K称为稳定因子（stability factor） （2）条件稳定（Conditionally stable） 当有源器件不符合上述无条件稳定的三大规定时，即称为条件稳定。在此情况下，在输入端平面及输出端平面，必存一些不稳定区域，如图7-2（b）所示: 而在设计输出入匹配电路时，务必避免使用这些区域，以免造成放大器电路自激。 其对应无条件稳定的条件为 ||cS| - rS| 1，|S11| 1 且 ||cL| - rL| 1，|S22| 1 而条件稳定则是 ||cS| - rS| 1，|S11| 1 或 ||cL| - rL| 1，|S22| 1 （A）输出稳定圆（Load Stability Circle）： 半径 ； 圆心 （B）输入稳定圆（ Source Stability Circle）： 半径 ； 圆心 (五) 设计步骤： 步骤一：设定放大器工件频率(f0)与输出入阻抗(RS , RL)。一般射频放大器的输出入阻抗设定为50Ω。 步骤二：根据电源选用晶体三极管，同时设定三极管的偏压条件(VCE,IC)，决定出在该条件下的三极管的S参数(S11,S21, 12,S22)，并设计适用它的偏压电路。 步骤三：将步骤