steve.c.cripps 无线通信射频功率放大器第二版 个人理解与勘误 (1)

临近毕业，打算趁闲暇时间写一写我对国外功放经典书籍的学习心得。cripps教授是我最敬重的射频功放大神，他的著作总是常读常新，因此我想先写写他的经典著作-RF Power Amplifiers for
Wireless Communications。作为一个英国人，他的行文似乎没有像其他书籍那样显得枯燥，而是处处透露出一些风趣幽默，全书公式相对较少，但传达的思想十分深刻需要多多体会，无不透露出大师的功底。后续的内容就简称他为C神吧，内容有错误的地方欢迎各位指正。

Chapter 1 Introduction

        C神在第一章中首先给出了什么是PA这样一个概念，在他看来，不同于低功率下的LNA，PA的定义应该是一种能够真真切切用人类的感官感受到的放大器，会对器件产生或多或少产生损害（能量转化为热能）。

1. 线性RF放大器理论

        对于一个基本的双端口RF线性放大器，我们要做的就是在保证晶体管是稳定的前提条件下，对晶体管的输入输出进行共轭匹配，来实现最大功率传输。

        稳定因子K是一个检验电路是否稳定的很好的指标，但值得注意的是，稳定因子并不是越大越好，在某种程度上这一指标会与晶体管最大可用增益(MAG)呈反比关系,因此在PA设计中我们可以有这样一个小tip：让稳定因子大于1但不远大于1能获得更高的增益，反过来也可以利用稳定因子大小判断设计的电路增益是否还能继续优化得到更高的值；关于稳定因子必须大于1这一条件也并不是绝对的，在实践中K＜1的某些情况下也可以稳定安全的工作；对于多级功放来说，稳定因子这一指标将不适用与判断一个整体二端口电路是否稳定，但如果每一级的放大器K值均＞1似乎也能证明整体电路稳定（存疑）。另外，稳定因子不仅仅是作为带内稳定性的判断，低频振荡在实际电路中十分危险，对于毫米波PA来说，低频时晶体管增益很高，如果不加以控制很容易发生振荡。

        在这一小节有一句话这么说到，‘For example, such a device displaying a 10 dB return loss may show more than the calculated 0.7 dB increase in gain when finally matched to −20 dB return loss.’这句话揭示了共轭匹配和功率匹配的不同，共轭匹配是理想状态下的最大功率匹配，在小信号下拥有优秀的S参数性能，而实际上晶体管收到膝值电压，额定电压，饱和电流等物理因素的限制，需要采用功率匹配也就是常用的负载线匹配，与之相对的S参数例如回波损耗(S11)就会变差，但在大信号测试中拥有相比于共轭匹配更大的输出功率。

2. 弱非线性和强非线性理论

        晶体管的强非线性模型是一种理想的概念，包括晶体管根据栅极电压的变化产生的从截止到开启的临界状态，线性放大以及电流饱和状态等三种不同的输出电流工作状态。实际上的晶体管模型则是一种渐进的变化，这主要有管子本身非恒定的跨导产生。

       对于一个FET来说，对弱非线性模型进行曲线拟合可以得到几条重要的启示：首先，S21受栅极偏置影响严重，实践中通过改变栅压能观察S21明显的上下浮动。其次，我们可以观察到在导通角为AB类时，二次谐波与基波同相，三次谐波与基波反相，这一点对于分析传统的减小导通角实现高效率的方法和谐波控制类功放效率提高的本质原因十分重要。谐波也是放大器产生失真的重要原因。后续的章节就会看到这种这方面的具体描述。非线性的表征国内外书籍都说的很详细，这里就不再过多说明。

3. 晶体管输出阻抗与晶体管器件技术发展

        共轭匹配和功率匹配的问题在第一节中已经提到，这个概念不难理解。本章的最后两节仍然是一些科普性的内容。值得注意的是两方面：一方面是晶体管的输出阻抗问题，在线性放大模式下，晶体管本身的输出阻抗会保持恒定，但绝大部分情况下晶体管会处于非线性工作状态，此时输出阻抗便不再恒定，例如当晶体管被偏置在C类状态，大部分时间会处于截止状态，此时晶体管等效输出阻抗为无穷大。再比如谐波对于晶体管的影响也会使输出阻抗产生变化。另一方面，本章的最后一节介绍了晶体管目前的工艺技术，本书虽然写于十七年前，好在目前射频晶体管的工艺还没有产生巨大革新。高电子迁移率晶体管(HEMT)目前应用广泛，他的栅极电容更小，开关速度更快，可承受电压高，更容易实现高频高效率。就材料来讲，GaN是现在炙手可热的可实现材料，它拥有很高的功率密度，目前已经被广泛应用于毫米波电路中。

总结

        第一章内容较少，但干货满满，如果是刚开始学习功率放大器一遍看过去可能会忽略不少重点，这本书在学习一段时间再回来看总是能找到一些新发现，这一次写文章也是我重新整理的过程，后面的内容有些地方我也不是很理解，欢迎大家共同学习讨论。