设计一个射频小信号放大器
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实验六射频放⼤器的设计实验六射频放⼤器的设计、仿真和测试⼀、实验⽬的1、了解描述射频放⼤器的主要性能参数及类型2、掌握放⼤器偏置电路设计⽅法3、了解最⼩噪声、最⼤增益放⼤器的基本设计⽅法4、掌握放⼤器输⼊、输出⽹络的基本结构类型5、掌握⽤ADS 进⾏放⼤器仿真的⽅法与步骤⼆、实验原理常⽤的微波晶体管放⼤器有低噪声放⼤器、宽带放⼤器和功率放⼤器。
⽬的是提⾼信号的功率和幅度。
低噪声放⼤器的主要作⽤是放⼤天线从空中接收到的微弱信号,减⼩噪声⼲扰,以供系统解调出所需的信息数据。
功率放⼤器⼀般在系统的输出级,为天线提供辐射信号。
微波低噪声放⼤器的主要技术指标有:噪声系数与噪声温度、功率增益、增益平坦度、⼯作频带、动态范围、输⼊输出端⼝驻波和反射损耗、稳定性、1dB 压缩点。
1、⼆端⼝⽹络的功率与功率增益及主要指标信号源的资⽤功率实际功率增益转换功率增益资⽤功率增益*max in sin a in P P P Γ=Γ==*out LL L max an =P P P ==ΓΓ22212222(1)1(1)L Lin L in S P G P S -Γ==-Γ-Γ222210222211/11s LT L a s Ls in LG P P S G G G S -Γ-Γ===-ΓΓ-Γ()22212211(1)/11s avsan a soutS GP P S -Γ==-Γ-Γ2.放⼤器的稳定性⽆条件稳定:不管源阻抗和负载阻抗如何,放⼤器输⼊输出端反射系数的模都⼩于1,⽹络⽆条件稳定(绝对稳定)条件稳定:在某些范围源阻抗和负载阻抗内,放⼤器输⼊输出反射系数的模⼩于1,⽹络条件稳定(潜在不稳定)由于放⼤器件内部S12产⽣的负反馈导致放⼤器⼯作不稳定!稳定性设计是设计放⼤器时⾸要考虑的问题。
匹配⽹络与频率有关;稳定性与频率相关;可能情况是设计的频率稳定⽽其他频率不稳定。
⽆条件稳定的充分必要条件:稳定性系数K输⼊、输出稳定性圆(条件稳定):|Гin|=1 或 |Гout|=1在Smith 圆图上的轨迹输出稳定性圆判别该输出稳定性区域?稳定圆不包含匹配点,|S11|<1时: |Гin|<1,稳定,匹配点在稳定区 |S11|>1时: |Гin|>1,不稳定,匹配点在不稳定区输⼊稳定性圆(条件稳定)3.最⼤增益放⼤器设计(共轭匹配)源和负载与晶体管之间达到共轭匹配时,可实现最⼤增益。
本文主要对射频功率放大器电路设计进行介绍,主要介绍了射频功率放大器电路设计思路部分,以及部分设计线路图一、阻抗匹配设计大多数PA都内部集成了到50欧姆的阻抗匹配设计网络,不过也有一些高功率PA 将输出端匹配放在集成芯片外部,以减小芯片面积。
常用的匹配设计有微带线匹配设计、分立器件匹配设计网络等,在典型设计中有可能会将两者共同使用,以改善因为分立器件数值不连续带来的匹配设计不佳的问题。
PA阻抗匹配设计原理和射频中的阻抗匹配相同,都是共轭匹配设计,主要实现功率的最大传输。
常用工具可以使用Smith圆图来观察阻抗匹配设计变化,同时用ADS软件来完成仿真。
二、谐波抑制由本人微博《射频功率放大器 PA 的基本原理和信号分析》得知,谐波一般是由器件的非线性产生的倍频分量。
谐波抑制对于CE、FCC认证显得尤为重要。
由于谐波的频率较分散,所以一般采用无源滤波器来衰减谐波分量,达到抑制谐波的效果。
不仅PA,其它器件包括调制信号输出端都有可能产生谐波,为了避免PA对谐波进行放大,有必要在PA输入端即添加抑制电路。
上图所示无源滤波器常用于2.4G频段的芯片输出端位置,该滤波器为五阶低通滤波器,截止频率约为3GHz,对2倍频和3倍频的抑制分别达到45.8dB和72.8dB。
使用无源滤波器实现谐波抑制有以下优点:l 简单直接,成本有优势l 良好的性能并且易于仿真l 可以同时实现阻抗匹配设计三、系统设计优化系统设计优化主要从电源设计,匹配网络设计出发,实现PA性能的稳定改善。
3.1 电源设计功率放大器是功耗较大的器件,在快速开关的时候瞬间电流非常大,所以需要在主电源供电路径上加至少10uF的陶瓷电容,同时走线尽量宽,让电容放置走线上,充分利用电容储能效果。
PA供电电源一般有开关噪声和来自其它模块的耦合噪声,可以在PA靠近供电管脚处放置一些高频陶瓷电容。
有必要也可以加扼流电感或磁珠来抑制电源噪声。
从SE2576L的结构框图可以看出,该PA一共由三级放大组成,每一级都单独供电,前面两级作为小信号电压增大以及开关偏置电路,其工作电流较小,最后一级功率放大,其电流很大。
设计⼀个射频⼩信号放⼤器题⽬:设计⼀个射频⼩信号放⼤器概述⾼频⼩信号放⼤器是通信设备中常⽤的功能电路,它所放⼤的信号频率在数百千赫⾄数百兆赫。
⾼频⼩信号放⼤器的功能是实现对微弱的⾼频信号进⾏不失真的放⼤,所谓⼩信号,⼀是信号幅度⾜够⼩,使得所有有源器件(晶体三极管,场效应管或IC)都可采⽤⼆端⼝Y参数或线性等效电路来模型化;⼆是放⼤器的输出信号与输⼊信号成线性⽐例关系.从信号所含频谱来看,输⼊信号频谱与放⼤后输出信号的频谱是相同的。
⾼频⼩信号放⼤器的分类:按元器件分为:晶体管放⼤器、场效应管放⼤器、集成电路放⼤器;按频带分为:窄带放⼤器、宽带放⼤器;按电路形式分为:单级放⼤器、多级放⼤器;按负载性质分为:谐振放⼤器、⾮谐振放⼤器;.⾼频⼩信号谐振放⼤器除具有放⼤功能外,还具有选频功能,即具有从众多信号中选择出有⽤信号,滤除⽆⽤的⼲扰信号的能⼒.从这个意义上讲,⾼频⼩信号谐振放⼤电路⼜可视为集放⼤,选频⼀体,由有源放⼤元件和⽆源选频⽹络所组成的⾼频电⼦电路.主要⽤途是做接收机的⾼频放⼤器和中频放⼤器.其中⾼频⼩信号调谐放⼤器⼴泛应⽤于通信系统和其它⽆线电系统中,特别是在发射机的接收端,从天线上感应的信号是⾮常微弱的,这就需要⽤放⼤器将其放⼤。
⾼频信号放⼤器理论⾮常简单,但实际制作却⾮常困难。
其中最容易出现的问题是⾃激振荡,同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。
本⽂以理论分析为依据,以实际制作为基础,⽤LC振荡电路为辅助,来消除⾼频放⼤器⾃激振荡和实现准确的频率选择;另加其它电路,实现放⼤器与前后级的阻抗匹配。
2电路的基本原理图2-1所⽰电路为共发射极接法的晶体管⾼频⼩信号单级单调谐回路谐振放⼤器。
它不仅要放⼤⾼频信号,⽽且还要有⼀定的选频作⽤,因此,晶体管的集电极负载为LC并联谐振回路。
在⾼频情况下,晶体管本⾝的极间电容及连接导线的分布参数等会影响放⼤器输出信号的频率或相位。
晶体管的静态⼯作点由电阻R b1、R b2及Re决定,其计算⽅法与低频单管放⼤器相同。
增益可控射频放大器设计方案
要设计一个增益可控的射频放大器,可以采用以下方案:
1.选择合适的放大器架构:常见的射频放大器架构有共集、共基和共射极。
其中,共基架构通常具有较高的输入和输出阻抗匹配,适用于宽频段的应用;共射架构具有较高的增益和较低的噪声,适用于功率放大器设计。
2.选择合适的放大器器件:根据设计要求选择合适的射频晶体管或场效应管。
通常情况下,选择具有较高的增益、较低的噪声系数和适当的功率容量的器件。
3.匹配网络设计:使用合适的匹配网络来实现输入输出的阻抗匹配。
匹配网络可以提高电路的功率传输效率,减小反射损耗,并实现最优的功率增益。
4.增益控制电路设计:可以采用可变电容、电阻、电感等元件来实现增益的可调控。
通过调整这些元件的参数来控制放大器的增益。
5.稳定性分析和设计:进行稳定性分析,确保放大器在工作范围内保持稳定。
可以采取稳定性增强措施,如添加稳定性网络或者改进反馈电路。
6.射频线路设计:布局射频线路时,要尽量避免回授、干扰和串扰。
采用合适的屏蔽和分离技术,以减小射频线路的损耗和干扰。
7.仿真和测试:使用射频模拟软件进行电路仿真,验证设计的性能,并进行测试调整和优化。
以上是一般的增益可控射频放大器设计方案,具体的设计流程和细节还需要根据具体的应用环境和要求来调整。
小信号放大器设计VSRb2ReRcRb1RLC1C2+VCCVo+-图1 首先画出此电路的微变等效电路VSRcRLRb1Rb2rbeReIbβIiIbIb1Ib2+Vbe +-Ic图2首先此电路的输入电阻由定义式:0|==Vo iii I V R ,0=Vo 也即输出短路。
由图所示: ))1(//(//)])1(//(//[2121e be b b i iie be b b i i i R r R R R I I R r R R I V R ββ++=⋅++==输入电阻:我们来看此电路的输出电阻定义式:∞===L R Vi tto I V R ,0| 输出电阻的定义:输入信号源短路,负载开路(即不接负载),再 在输出端外加激励电压源t V ,此时在输出端对应着一个输出电流t I 。
由于输入信号源短路,be r 没有电流流过,也即0=⋅b i β,此时的输出电阻为c o R R = 这一个首先记住,输入电阻,输出电阻对以后分析电路很重要,以后再提。
首先我们分析这一种共射电路电压放大倍数和什么因数有关。
ie be b b L c b i o V I R r R R R R i I V A ⋅++⋅==)])1(//(//[)//(21ββ。
由此关系失可知b b b i I I I I ++=21这三者电流之和,假设21,b b R R 的阻值如果取的足够大,则流过21,b b R R 的电流很少,这就意味着全部电流流进三极管,近似满足关系b i I I =那么原始就可写成:))1(()//())1(()//(e be L c b e be L c b i o V R r R R I R r R R I I V A ββββ++⋅=++⋅==只要将21,b b R R 取得足够大,V A 就会相对提高。
如果式中分母e R )1(β+去掉,则上式V A 的放大倍数会进一步提高,此时我们的想法还是 如果将e R 交流短路的话,此方案完全可行(只要电容取得 大点)VSRcRLRb1Rb2rbeIbβIiIbIb1Ib2+Vbe +-Icbc地Vi +-图3此时我们看到,在e R 并联这一电容的话,可以看到如下好处 b 的动态电阻只有be r 了,也即b 和地间的电阻相对之前大大减小②之前1b R 和2b R 是相对于e be R r )1(β++要取大一些,一般5-9倍(也即])1()[95(]min[2,1e be b b R r R R β++-≈。
题目:设计一个射频小信号放大器概述高频小信号放大器是通信设备中常用的功能电路,它所放大的信号频率在数百千赫至数百兆赫。
高频小信号放大器的功能是实现对微弱的高频信号进行不失真的放大,所谓小信号,一是信号幅度足够小,使得所有有源器件(晶体三极管,场效应管或IC)都可采用二端口Y参数或线性等效电路来模型化;二是放大器的输出信号与输入信号成线性比例关系.从信号所含频谱来看,输入信号频谱与放大后输出信号的频谱是相同的。
高频小信号放大器的分类:按元器件分为:晶体管放大器、场效应管放大器、集成电路放大器;按频带分为:窄带放大器、宽带放大器;按电路形式分为:单级放大器、多级放大器;按负载性质分为:谐振放大器、非谐振放大器;.高频小信号谐振放大器除具有放大功能外,还具有选频功能,即具有从众多信号中选择出有用信号,滤除无用的干扰信号的能力.从这个意义上讲,高频小信号谐振放大电路又可视为集放大,选频一体,由有源放大元件和无源选频网络所组成的高频电子电路.主要用途是做接收机的高频放大器和中频放大器.其中高频小信号调谐放大器广泛应用于通信系统和其它无线电系统中,特别是在发射机的接收端,从天线上感应的信号是非常微弱的,这就需要用放大器将其放大。
高频信号放大器理论非常简单,但实际制作却非常困难。
其中最容易出现的问题是自激振荡,同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。
本文以理论分析为依据,以实际制作为基础,用LC振荡电路为辅助,来消除高频放大器自激振荡和实现准确的频率选择;另加其它电路,实现放大器与前后级的阻抗匹配。
2电路的基本原理图2-1所示电路为共发射极接法的晶体管高频小信号单级单调谐回路谐振放大器。
它不仅要放大高频信号,而且还要有一定的选频作用,因此,晶体管的集电极负载为LC并联谐振回路。
在高频情况下,晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数等会影响放大器输出信号的频率或相位。
晶体管的静态工作点由电阻R b1、R b2及Re决定,其计算方法与低频单管放大器相同。
图2-1高频小信号谐振放大器3电路设计方案高频小信号调谐放大器简述:高频小信号放大器的功用就是无失真的放大某一频率范围内的信号。
按其频带宽度可以分为窄带和宽带放大器,而最常用的是窄带放大器,它是以各种选频电路作负载,兼具阻抗变换和选频滤波功能。
对高频小信号放大器的基本要求是:(1)增益要高,即放大倍数要大。
(2)频率选择性要好,即选择所需信号和抑制无用信号的能力要强,通常用Q 值来表示,其频率特性曲线如图-1所示,带宽BW=f2-f l=2△f0.7,品质因数Q=fo/2△f0.7。
图3-1谐振放大器的频率特性曲线(3)工作稳定可靠,即要求放大器的性能尽可能地不受温度,电源电压等外界因素变化的影响,内部噪声要小,特别是不产生自激,加入负反馈可以改善放大器的性能。
图3-2 反馈导纳对(4)前后级之间的阻抗匹配,即把各级联接起来之后仍有较大的增益,同时,各级之间不能产生明显的相互干扰。
根据上面各个具体环节的考虑设计出如图3-3所示的总体改进电路图图3-3 改进后的高频小信号谐振放大器4重要电路分析及功能高频小信号谐振放大器与低频放大器的电路基本相同(如图2-1所示)。
其中变压器T2的初级线圈为接收机前端选频网络的一部分,经次级线圈耦合后作为放大器的输入信号,输出端也采用变压器耦合方式来实现选频和输出阻抗匹配。
Cb与Ce为高频旁路电容,提供交流通路。
本放大器的高频等效电路如图4-1所示:图4-1 调谐放大器的高频等效电路电路中并联振荡回路两端间的阻抗为其中R是和电感串联的电阻,由于因此有:则并联回路两端电压为:所以,当时Vm有最大值,即回路谐振时输出电压最大。
实际制作中对基本电路的改进:由于高频电路放大电路常常会自激振荡,也容易受各种因素的干扰,并且各级间很难实现阻抗匹配,所以要对基本电路进行适当的改进。
放大器内部电路的改进及理论依据:如图4-2所示,增加R e1形成交流负反馈,用以改变放大倍数和改善输出波形,由于电源内阻容易影响高频电路的工作,所以电源下端要接LCΠ型网络作为电源去偶电路,以减少干扰,提高放大器的性能。
另外还要特别注意的是,高频电路很容易产生自激振荡,所以需要想办法消除,最常用的办法是在LC谐振回路中串联一小电阻或并联一大电阻,从而减小回路的Q值,消除自激振荡。
图4-2外加射极跟随的高频放大器实际制作过程及谐振频率的快速确定:高频放大器制作中最关键也是最难的就是选取恰当的电感和电容值,使电路谐振。
谐振时有ωC=1/ωL,通过计算可以确定LC的值,但实际电路与理论计算往往相差很大,甚至能相差十几倍到几十倍,这就需要一定的操作技巧。
以33MHz放大器为例,经计算得电感为4.7uH时选用5-25pF的可调电容完全可以达到谐振频率,但接好电路后很少能够调到30MHz。
多次实验表明,实际振荡频率一般小于计算得频率,这就要用其他办法来确定放大器的谐振频率。
一个比较好的办法就是借助LC振荡电路来实现谐振。
如图4-3所示,此电路为共基组态的“考毕兹”振荡器,原理不再赘述,下面说明如何利用本电路:可调电容Cx选用和放大器电路中同一规格的,电感Lx 是放大器中变压器接入谐振回路的电感值,由于本电路仅由Lx和Cx决定,但在实际电路中电容对电路的谐振频率的影响远远没有电感明显,因而先选定电容(5-20pF可调),则频率为33MHz时,用一外径较大的磁芯(其中磁芯的Q值一定要高,否则高频损耗太大,放大器就不能放大),然后用漆包线手工绕制电感(若要大批量生产,可把绕好的做样品),绕适当的圈数后再用高频Q表测量其电感值大小,不断改变其圈数,使Lx基本达到要求(4Uh左右),然后把绕制好的电感作为Lx接入图4-2所示的电路中,再用示波器测量此电路的震荡频率,调节Cx,看震荡频率是否为33MHz,若不是,则相应的减少或增加变压器(即接入的电感)的圈数,直到其频率为所要求的为止,最后再按照要求的比例(常用3:1)来绕变压器的次级线圈。
图4-3共基组态的“考毕兹”振荡器5 主要性能指标及测量方法5.1 主要性能指标中心频率就是调谐放大电路的工作频率,一般在几百kHz到几百MHz。
它是根据设备的整体指标确定的,是调谐放大器的主要指标,是设计放大电路时选择有源器件和计算谐振回路元件参数的依据。
5.1.1电压增益增益表示了放大电路对有用信号的放大能力,通常用在中心频率上的电压增益和功率增益来表示。
电压增益根据定义,由上图得从等效关系可知则放大器谐振时,对应的谐振频率为则通常,在电路计算时,电压增益用其模表示,则可表示为5.1.2通频带为了保证频带信号无失真地通过放大电路,要求其增益频率响应特性必须有与信号带宽相适应的平坦宽度。
放大电路电压增益频率响应特性由最大值下降3dB时,对应的频率宽度为放大器的通频带,通常以BW表示。
通频带的定义是时对应的为放大器的通频带。
根据定义得则5.1.3选择性选择性是指对通频带之外干扰信号的衰减能力,有两种表示方法:一种是用矩形系数来说明邻近波带选择性的好坏;另一种是用抑制比来说明对带外某一特定干扰频率信号的抑制能力。
5.1.4工作稳定性工作稳定性是指当放大器电路的工作状态、元件参数等发生可能的变化时,放大器的主要性能的稳定程度。
不稳定现象表现在增益变化、中心频率偏移、通频带偏移和谐振曲线变形等方面。
引起不稳定的原因主要是由于寄生反馈作用的结果。
为了消除或者减少不稳定现象,必须尽可能找出寄生反馈的路径,消除一切可能产生反馈的因素。
5.1.5噪声系数噪声系数是用来描述放大器本身产生噪声电平大小的一个参数。
放大器本身产生噪声电平的大小,对所传输信号,特别是对微弱信号的影响是极其不利的。
上述各个指标相互关联而又相互矛盾,需要根据实际情况确定其主次,进行合理设计。
5.1.6 谐振曲线放大器的谐振曲线是表示放大器的相对应电压增益与输入信号频率的关系。
由上式可得对谐振放大器来讲,通常讨论的f与f0相差不大,可认为f在f0附近变化,则式中,,称为一般失谐。
令,称为广义失谐。
代入上式得取模得下面是谐振特性的两种表示形式:图5-1放大器的谐振特性5.1.7 放大器的矩形系数矩形系数的定义是其中,是时所对应的频带宽度,即故根据矩形系数的定义得6电路参数的计算6.1 设置静态工作点6.2 计算谐振回路参数下面计算4个y参数,故模回路总电容为再计算回路电容,取标称值62Pf输出耦合变压器Tr0的原边抽头匝数N1及副边匝数N3,即6.3 确定输入耦合回路及高频滤波电容高频小信号谐振放大器的输入耦合回路通常是指变压器耦合的谐振回路,如图2-1所示。
由于输入变压器Tri原边谐振回路与放大器谐振回路的谐振频率相等,也可以直接采用电容耦合,如图3-3所示。
高频耦合电容一般选择瓷片电容。
7 调试与仿真7.1 电路的装调与测试将上述设计的元器件参数值按照图所示电路进行安装。
先调整放大器的静态工作点,然后再调谐振回路使其谐振。
调整静态工作点的方法是,不加输入信号(Vi=0),将C1的左端接地,将谐振回路的电容C开路,这时用万能表测量电阻Re两端的电压,调整电阻R b1 =1.5V(I E=1mA)。
记下此时电路的R b1值及静态工作点V BQ、V CEQ、V EQ、使VEQ及I。
EQ调谐振回路使其谐振的方法是,按照图7-1所示的测试电路接入高频电压表V1、V2,直流毫安表mA及示波器。
再将信号发生器的输出频率置于fi=10MHz,输出电压Vi=5mA。
为了避免谐振回路失谐引起的高反向电压损坏晶体管,可先将电源电压+Vcc降低,如使+Vcc=+6V。
调输出耦合变压器的磁芯使回路谐振,即电压表V2的指示值达到最大,毫安表mA为最小且输出波形无明显失真。
回路处于谐振状态后,再将电源电压恢复+12V。
在放大器处于谐振状态下测量各项的技术指标,如电压放大倍数Avo、通频带BW及矩形系数Kr0.1,其测量方法如前所述。
若这些指标的测量值与设计要求值相差较远,则应根据他们的表达式进行分析。
如果电压放大倍数Avo较小,则可以通过调整静态工作点Q或接入系数P1、使Avo增大或更换较大的晶体管。
由于分布参数的影响,放大器的各项技术指标满足设计要求后的元器件参数值与设计计算值有有一定的偏离,需要反复调整输出耦合变压器的磁芯位置才能使谐振回路处于谐振状态。
采用图所示的测量方法判断回路的谐振状态不太准确,易产生测量误差,较好的方法是采用扫频测量仪测量回路的谐振曲线。
由于工作频率较高,高频小信号放大器容易受到外界各种信号的干扰,特别是射频干扰。
通常采取的措施是把放大器装入金属屏蔽盒内(屏蔽盒与地线应接触良好)。
7.2电路仿真7.2.1利用EWB绘制出如图所示的仿真实验电路图7-1 仿真电路7.2.2按图设置各元件的参数,打开仿真开关,从示波器上观察检波器输出波形以及输入信号的关系。