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傳統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漂移，使工作更可靠和穩定。 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運放在接近最高頻率處仍有較高的增益。例如，VFB運放THS4001開環帶寬(-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運放數據表推薦的反饋電阻RF值應嚴格遵守，增益應用RG來調整。 ·反饋環中不能有電容存在。 放大器的基本拓撲和參數 CFB運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)參數來表征。術語“散射”隱含著損耗的意思。反射，即散射參數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。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可從S參數推得，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： VSWR=Z(I/O)/ZS或ZS/Z(I/O) 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，因此運放的數據表并未對VSWR作出規定。回波損耗—該值與VSWR的關系為： 回波損耗 =20log(VSWR+1)/(VSWR-1)=10log(s11)2(輸入)=10log(S22)2(輸出) 由于輸出阻抗在射頻處不是與ZL完全匹配的，它隨環增益減少而逐漸增大，因而RO并聯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： S21=AL=1/2(1+RF/RG) 注意，輸出端增加了一個串聯電阻，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： PO(dBm)=10log(絕對功率/0.001W) 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： VFB THS4001的差分相移為0.15° CFB THS3001的差分相移為0.02° 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最大化，輕微的嵌位是允許的，只要產生的諧波在相關法規的范圍內，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最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，最終在+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，工作穩定、可靠。此外，運放射頻放大器有良好的散射參數，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。( |
