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，前者構成的放大器，其增益和帶寬與晶體管的偏流和工作點關系很大，調整起來相對困難；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。在實際應用中，大量使用的是ＶＦＢ運放，但在射頻放大器應用中，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，射頻設計者還要了解ＣＦＢ運放的一些特點：

　　·放大器用運放的內部構造有所不同，但構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值應嚴格遵守，增益應用ＲＧ來調整。

　　·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構，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在工作頻率范圍內不會好于１．５：１。運放的輸入、輸出阻抗是設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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　?。洌拢恚剑洌拢郑保常ǎ担唉附K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—設計者常常關心ＲＦ電路的相位響應，ＣＦＢ放大器的相位線性度比ＶＦＢ型放大器好，如：

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　　頻率響應平坦度——ＣＦＢ放大器可通過微調電阻（見圖１倒相端串聯(lián)的電阻）來調整頻響的平坦度而不會影響正向增益。再加上微調電阻后，ＲＦ和ＲＧ值要相應地減少，但它們的比值保持不變，因而增益也保持不變。

　　－１ｄＢ壓縮點—－１ｄＢ壓縮點定義為：在固定頻率下，放大器實際功率比預期值少１ｄＢ，換句話說，放大器增益比低功率下降低了１ｄＢ。－１ｄＢ壓縮點是射頻設計者對電壓軌值的一種表述。射頻設計者更關注增益的化，輕微的嵌位是允許的，只要產生的諧波在相關法規(guī)的范圍內，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動至軌值，即ＶＯＭ指標；在高頻下，運放會受到轉換速率的限制，由于輸出使用了匹配電阻，轉換速率也降低了一半。

　　雙頻三次諧波互調制截距——在ＲＦ帶寬內，當兩個空間相近的信號被放大時就會產生和頻與差頻，這些信號是互調制諧波，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電路不會調整至＋３０ｄＢｍ，因而３次互調制截距是理論上的，互調制截距越大越好。

　　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。例如，使用一個運放，應用于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計。運放高頻放大器的偏置與增益和終端無關，調整方便，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、互調制截距和噪聲都要比分立晶體管放大器略勝一籌。

關鍵詞：運放式射頻放大器放大器

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