放大器的稳定性、增益和噪声

1、,第7章 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,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。,7.1.1 稳定准则 放大器的二端口网络如图71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S;负载的反射系数为L；二端口网络输入端的反射系数为in；二端口网络输出端的反射系数为ou。,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 L、S和S参量对放大器的稳定

2、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L和S。下面在L和S的复平面上讨论稳定区域，用图解的方法给出结论。,1. 输出稳定判别圆 L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L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L的稳定区域。下面讨论L的稳定区域。,（1）若(|S11|1，则史密斯圆图中心点（L=0点）在稳定区域内。分2种情况。, 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），L的稳定区域在输出稳定判别圆内。L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。, 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），L的稳定区域在输出稳定判别圆外。L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(|S11)|1，则史密斯圆图中心点（L=0点）在稳定区域外。分2种情况。, 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），L的稳定区域在输出稳定判别圆外。

3、L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。, 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），L的稳定区域在输出稳定判别圆内。L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。,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。, 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）， S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。, 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），S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。,（2）若(|S22|1，则史密斯圆图中心点在稳定区域外。分两种情况。, 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），S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。, 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），S的稳定区域是史密斯圆图单位圆内输入稳定判别圆内的

4、区域，是图7.3（d）中的阴影区。,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L和S的整个史密斯圆图内都处于稳定状态。,也就是说，L和S选择任何|L|1和|S|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L的史密斯圆图，输入稳定判别圆包含S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L的史密斯圆图外，输入稳定判别圆完全位于S的史密斯圆图外，如图7.4（b）所示。,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 当放大器不是绝对稳定，则有时信源和负载选择的S和L会造成|in|1或|out|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。,|in|1和|out|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Rin或并

5、联电导Gin。,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。,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。,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 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

6、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。,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S120。,当晶体管近似为单向时，可以带来设计上的诸多便利，此时,in和out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。,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S120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in和out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. 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

7、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。,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,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。,7.3 输入、输出电压驻波比,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。,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7.14 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,

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