運放式射頻放大器
出處:zhenglixin 發(fā)布于:2008-09-02 16:31:59
傳統(tǒng)射頻放大器使用分立晶體管有源器件,主要原因是器件價格低廉。而隨著運放性能的提高和批量應(yīng)用的推動,射頻放大器采用運放已成大勢所趨。相對于分立晶體管,高速運放確實有其長處:首先,前者構(gòu)成的放大器,其增益和帶寬與晶體管的偏流和工作點關(guān)系很大,調(diào)整起來相對困難;而運放的增益是不受偏置影響的。其次,運放還能減少工作溫度范圍內(nèi)的參數(shù)漂移,使工作更可靠和穩(wěn)定。
眾所周知,運放又可分為電壓反饋式(VFB)和電流反饋式(CFB)兩種。在實際應(yīng)用中,大量使用的是VFB運放,但在射頻放大器應(yīng)用中,CFB運放具有更出色的性能。VFB運放的增益一帶寬積是恒定的,增益受到帶寬的限制;CFB運放在接近頻率處仍有較高的增益。例如,VFB運放THS4001開環(huán)帶寬(-3dB)為270MHz,增益為100(20dB)時可用帶寬僅為10MHz;而CFB運放THS3001開環(huán)帶寬(-3dB)為420MHz,增益100時可用帶寬可達150MHz。
當然,射頻設(shè)計者還要了解CFB運放的一些特點:
·放大器用運放的內(nèi)部構(gòu)造有所不同,但構(gòu)成放大器的基本拓撲沒有改變。
·CFB運放數(shù)據(jù)表推薦的反饋電阻RF值應(yīng)嚴格遵守,增益應(yīng)用RG來調(diào)整。
·反饋環(huán)中不能有電容存在。
放大器的基本拓撲和參數(shù)
?。茫疲逻\放射頻放大器的基本拓撲仍是反饋放大器結(jié)構(gòu),有同相放大器和反相放大器兩種形式。另一方面,對射頻電路而言,要特別關(guān)注輸入端與輸出端的阻抗匹配問題,系統(tǒng)常用50Ω電纜連接,由于運放的輸入阻抗高,因而輸入端并接一個50Ω電阻;在輸出端,運放輸出阻抗低,故而串接了一個50Ω電阻。這樣,同相放大器就如圖1所示。

射頻電路性能通常用4個散射(S)參數(shù)來表征。術(shù)語“散射”隱含著損耗的意思。反射,即散射參數(shù)S11與S12會減少有用的信號,反向傳輸S12從負載處返回輸出功率,只有正傳輸S21是有用的散射參數(shù)。設(shè)計射頻電路就是要減少S11、S22與S12而提高S21。射頻放大器小信號交流參數(shù)可從S參數(shù)推得,兩者的關(guān)系見表1,這些指標是頻率依賴的。
輸入與輸出電壓駐波比(VSWR)是個比值,因而是一個無單位量,它是輸入、輸出阻抗與源阻抗、負載阻抗匹配的度量,為了避免反射應(yīng)盡可能地匹配。VSWR定義為:
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理想的VSWR等于1:1,然而典型的VSWR在工作頻率范圍內(nèi)不會好于1.5:1。運放的輸入、輸出阻抗是設(shè)計者選擇的外部元件確定的,因此運放的數(shù)據(jù)表并未對VSWR作出規(guī)定?;夭〒p耗—該值與VSWR的關(guān)系為:
回波損耗?。剑玻埃欤铮纾ǎ郑樱祝遥保ǎ郑樱祝遥保剑保埃欤铮纾ǎ螅保保玻ㄝ斎耄剑保埃欤铮纾ǎ樱玻玻玻ㄝ敵觯?/FONT>
由于輸出阻抗在射頻處不是與ZL完全匹配的,它隨環(huán)增益減少而逐漸增大,因而RO并聯(lián)了一個電容進行補償。
正向傳輸S21是由輸入電阻RG和反饋電阻RF確定的,對同相型運放S21表示為:
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注意,輸出端增加了一個串聯(lián)電阻,電壓分壓使增益降低了一半。對射頻放大,常用功率增益來表示:
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dBm=dBV+13(50Ω終端電阻)
反向傳輸S12表示輸入與輸出的隔離度,CFB射頻運放的隔離度相當不錯,尤其是同相型放大器,它的反饋連接在反相端,使隔離更佳。
相位線性度—設(shè)計者常常關(guān)心RF電路的相位響應(yīng),CFB放大器的相位線性度比VFB型放大器好,如:
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CFB?。裕龋樱常埃埃钡牟罘窒嘁茷椋埃埃病?/FONT>
頻率響應(yīng)平坦度——CFB放大器可通過微調(diào)電阻(見圖1倒相端串聯(lián)的電阻)來調(diào)整頻響的平坦度而不會影響正向增益。再加上微調(diào)電阻后,RF和RG值要相應(yīng)地減少,但它們的比值保持不變,因而增益也保持不變。
?。保洌聣嚎s點—-1dB壓縮點定義為:在固定頻率下,放大器實際功率比預(yù)期值少1dB,換句話說,放大器增益比低功率下降低了1dB。-1dB壓縮點是射頻設(shè)計者對電壓軌值的一種表述。射頻設(shè)計者更關(guān)注增益的化,輕微的嵌位是允許的,只要產(chǎn)生的諧波在相關(guān)法規(guī)的范圍內(nèi),于是確定了-1dB壓縮點。
標準交流耦合RF放大器在工作頻率范圍內(nèi)顯示出相對恒定的-1dB壓縮點。在低頻下,增加固定頻率的功率終會將輸出驅(qū)動至軌值,即VOM指標;在高頻下,運放會受到轉(zhuǎn)換速率的限制,由于輸出使用了匹配電阻,轉(zhuǎn)換速率也降低了一半。
雙頻三次諧波互調(diào)制截距——在RF帶寬內(nèi),當兩個空間相近的信號被放大時就會產(chǎn)生和頻與差頻,這些信號是互調(diào)制諧波,主要問題是這些諧波幅度的增長是基頻的3倍。理論上,一個系統(tǒng)初始基頻信號在0dBm水平,互調(diào)制諧波在-60dBm,當基頻幅度增加時,諧波以3倍于基頻的速度增長,終在+30dBm處相交。典型的RF電路不會調(diào)整至+30dBm,因而3次互調(diào)制截距是理論上的,互調(diào)制截距越大越好。
噪聲值—當運放作為有源器件時,RF噪聲值與運放噪聲是一回事。熱噪聲有一定影響,但RF電路使用的電阻通常較小,它們的噪聲可忽略不計。運放RF電路的噪聲與增益和帶寬有關(guān)。例如,使用一個運放,應(yīng)用于10.7MHz中放,信號電平0dBV,增益為1,噪聲譜密度如圖2所示。此外,帶寬越窄,噪聲越低,見表2。

結(jié)語
如果價格可以接受的話,運放,特別是CFB運放非常適合射頻設(shè)計。運放高頻放大器的偏置與增益和終端無關(guān),調(diào)整方便,工作穩(wěn)定、可靠。此外,運放射頻放大器有良好的散射參數(shù),由于終端效應(yīng)和匹配可獨立控制,因而輸入和輸出VSWR較小;運放由成百個晶體管組成,隔離效果很好;CFB運放的正向增益不受增益/帶寬積限制,有較高的增益。運放射頻放大器的增益平坦度、-1dB壓縮點、互調(diào)制截距和噪聲都要比分立晶體管放大器略勝一籌。
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