1. 用 S 参数进行放大器设计

首先要分清楚不同的 在描述什么。下面是一个包括匹配电路在内的完整电路。

描述的是整个红色框的电路反射系数,同理有 描述的是整个蓝色框电路的反射系数。 则是描述包括输入匹配电路在内的源的反射系数; 则是描述包括输出匹配电路在内的负载的反射系数。

一般有默认源阻抗 和负载阻抗 都是 则是描述有源器件输出所见的经过匹配电路变换负载阻抗; 有源器件输入所见经过匹配电路变换源阻抗。

如果有 共轭,就能实现最大功率传输。对 同理。但是在实际设计中不总是达到这一点,还有其他关键特性可能会冲突。

1.1. 功率增益

在实际放大电路设计中,我们更关心的增益是功率增益,而不是电压电流增益。

这里首先要了解四种不同的功率。

资用功率

当负载阻抗和源阻抗共轭匹配的时候,此时传输到负载的功率为源资用功率 ,也是最大传输功率。也就是说,源能够给负载提供的最大功率就是源资用功率。

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二端口网络资用功率

负载功率

二端口网络输入功率

说是三种不同的增益,其实后两种都是转换功率增益的某种特殊情况。

1.1.1. 转换功率增益

转换功率增益

是传递到负载的功率与源可用功率之比。

转换功率增益计算式

是负载耗散的功率; 是源资用功率。

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看向端接网络输出端的反射系数 #挂起/信息不足

转换功率增益与源端匹配、负载端匹配和放大器的S参数都有关系。其是在输入和输出都匹配时发生的一种特殊情况,即零反射 (不同于共轭匹配 ) 的一种特殊情况。这时有

转换功率增益简化计算式

条件:零反射 (不同于共轭匹配 ) ,这时有

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1.1.2. 实际功率增益

实际功率增益

实际功率增益 是负载 功率与输入到双端口网络的功率 之比。这种增益与源阻抗 无关,尽管有源器件的特性可能依赖于

实际功率增益计算式

是负载耗散的功率; 是双端口网络输入功率。

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实际功率增益只与负载端匹配和放大器的S参数有关,与源端匹配无关。

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1.1.3. 资用功率增益

资用功率增益

资用功率增益 是双端口网络可用功率与源可用功率之比。这假设源和负载都进行了共轭匹配,并且依赖于 ,但不依赖于

资用功率增益计算式

是双端口网络的输出功率(资用功率); 为源的资用功率。

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资用功率增益与源端匹配、放大器的S参数有关,与负载端的匹配无关。

[! faq] 资用功率增益隐含了负载与输出匹配网络共轭匹配这个条件? 可以这么理解,因为在负载与输出网络共轭匹配的情况下,

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1.2. 放大器稳定性

1.2.1. 稳定性条件

稳定性条件

如果在二端口网络的输入端或者输出端阻抗中存在负实部(),使得 或者 ,则可能导致电路振荡。

又因为这两个反射系数和源以及负载匹配网络有关,因此放大器的稳定性取决于匹配网络给出的

定义两类稳定性:

  1. 无条件稳定。若对所有无源信号源和负载阻抗有 ),则这个网络是无条件稳定的;
  2. 条件稳定。若只对某些无源信号源和负载阻抗有 ),则这个网络是条件稳定的,也称作潜在不稳定。

[! note] 对于单边器件而言(),当满足 的时候,器件无条件稳定。前者是后者的充分条件。

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1.2.2. 无条件稳定的检验

无条件稳定的检验

Rollet 条件以及辅助条件

Rollet 条件及其辅助条件

无条件稳定的Rollet 条件为,

辅助条件为,

当不满足的时候,为潜在不稳定状态

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同时满足,则可以证明器件是无条件稳定的。这两个条件对无条件稳定是必要的和充分的,如果不满足,那么就不是无条件稳定;如果存在使其稳定的 值,那么就需要用稳定性圆来确定。

器件无条件稳定的时候,必定有

rollet 条件不用用来比较器件之间的稳定性。

参量检验

mu 参数稳定性检验式

为 S 参数的行列式; 大于 1 的时候无条件稳定。较大的 意味着较大的稳定性

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K 参量检验

K 参数稳定性检验式

当有,

无条件稳定。

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1.2.3. 稳定性圆

稳定性圆检验

因为对于放大器的稳定性的检验的本质是对匹配网络的 进行的检验。

输入稳定圆计算式

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输出稳定圆计算式

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器件无条件稳定时,稳定性圆必须完全位于史密斯圆图的外部 (或完全包围史密斯圆图 )。用数学公式将这一结果陈述为,

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1.2.4. 总结

对于无条件稳定,以下条件都是等效的,

1.3. 恒增益圆

1.3.1. 单边情况(

单边增益

这里给出转换功率增益的两种替代表达式,包含输入反射系数或输出反射系数。对于单边设备,其 S12 = 0 (没有从端口 2 到端口 1 的反向传输),则 。转换功率增益的两个表达式都可以简化为以下单边转换功率增益等式

单边转换功率增益计算式

条件:

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1.3.2. 单边品质因子

单边品质因数

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1.4. 恒定工作和资用功率增益圆(双边情况)

1.4.1. 恒定工作功率增益圆

1.4.1.1. 无条件稳定