運(yùn)放式射頻放大器設(shè)計(jì)

　 　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(jià)格低廉。而隨著運(yùn)放性能的提高和批量應(yīng)用的推動(dòng)，射頻放大器采用運(yùn)放已成大勢(shì)所趨。相對(duì)于分立 晶體管，高速運(yùn)放確實(shí)有其長(zhǎng)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(diǎn)關(guān)系很大，調(diào)整起來相對(duì)困難；而運(yùn)放的增益是不受偏置影響 的。其次，運(yùn)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(yùn)放又可分為電壓反饋式(VFB)和電流反饋式(CFB)兩種。在實(shí)際應(yīng)用中，大量使用的是VFB運(yùn)放，但在射頻放大器應(yīng)用 中，CFB運(yùn)放具有更出色的性能。VFB運(yùn)放的增益一帶寬積是恒定的，增益受到帶寬的限制；CFB運(yùn)放在接近最高頻率處仍有較高的增益。例如，VFB運(yùn)放 THS4001開環(huán)帶寬(-3dB)為270MHz，增益為100(20dB)時(shí)可用帶寬僅為10MHz；而CFB運(yùn)放THS3001開環(huán)帶寬 (-3dB)為420MHz，增益100時(shí)可用帶寬可達(dá)150MHz。

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　　當(dāng)然，射頻設(shè)計(jì)者還要了解CFB運(yùn)放的一些特點(diǎn)：

　　·放大器用運(yùn)放的內(nèi)部構(gòu)造有所不同，但構(gòu)成放大器的基本拓?fù)錄]有改變。
·CFB運(yùn)放數(shù)據(jù)表推薦的反饋電阻RF值應(yīng)嚴(yán)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?fù)浜蛥?shù)

　　CFB運(yùn)放射頻放大器的基本拓?fù)淙允欠答伔糯笃鹘Y(jié)構(gòu)，有同相放大器和反相放大器兩種形式。另一方面，對(duì)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(yùn)放的輸入阻抗高，因而輸入端并接一個(gè)50Ω電阻；在輸出端，運(yùn)放輸出阻抗低，故而串接了一個(gè)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(gè)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(huì)減少有用的信號(hào)，反向傳輸 S12從負(fù)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(jì)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(hào)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(biāo)是頻率依賴的。

　　輸入與輸出電壓駐波比(VSWR)是個(gè)比值，因而是一個(gè)無單位量，它是輸入、輸出阻抗與源阻抗、負(fù)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：

　　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(nèi)不會(huì)好于1.5：1。運(yùn)放的輸入、輸出阻抗是設(shè)計(jì)者選擇的外部元件確定的，因此運(yùn)放的數(shù)據(jù)表并未對(duì)VSWR作出規(guī)定?；夭〒p耗—該值與VSWR的關(guān)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(huán)增益減少而逐漸增大，因而RO并聯(lián)了一個(gè)電容進(jìn)行補(bǔ)償。

　　正向傳輸S21是由輸入電阻RG和反饋電阻RF確定的，對(duì)同相型運(yùn)放S21表示為：

　　S21=AL=1/2(1+RF/RG)

　　注意，輸出端增加了一個(gè)串聯(lián)電阻，電壓分壓使增益降低了一半。對(duì)射頻放大，常用功率增益來表示：

　　PO(dBm)=10log(絕對(duì)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(yùn)放的隔離度相當(dāng)不錯(cuò)，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(jì)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：

　　VFB THS4001的差分相移為0.15°

　　CFB THS3001的差分相移為0.02°

　　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(huì)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。

　　-1dB壓縮點(diǎn)—-1dB壓縮點(diǎn)定義為：在固定頻率下，放大器實(shí)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(diǎn)是射頻設(shè)計(jì)者對(duì)電壓軌值的一種表述。射頻設(shè)計(jì)者更關(guān)注增益的最大化，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(diǎn)。

　　標(biāo)準(zhǔn)交流耦合RF放大器在工作頻率范圍內(nèi)顯示出相對(duì)恒定的-1dB壓縮點(diǎn)。在低頻下，增加固定頻率的功率最終會(huì)將輸出驅(qū)動(dòng)至軌值，即VOM指標(biāo)；在高頻下，運(yùn)放會(huì)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(dāng)兩個(gè)空間相近的信號(hào)被放大時(shí)就會(huì)產(chǎn)生和頻與差頻，這些信號(hào)是互調(diào)制諧波，主要問題是這些諧波幅度的 增長(zhǎng)是基頻的3倍。理論上，一個(gè)系統(tǒng)初始基頻信號(hào)在0dBm水平，互調(diào)制諧波在-60dBm，當(dāng)基頻幅度增加時(shí)，諧波以3倍于基頻的速度增長(zhǎng)，最終 在+30dBm處相交。典型的RF電路不會(huì)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(dāng)運(yùn)放作為有源器件時(shí)，RF噪聲值與運(yùn)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(jì)。運(yùn)放RF電路的噪聲與增益和帶寬有關(guān)。例如，使用一個(gè)運(yùn)放，應(yīng)用于10.7MHz中放，信號(hào)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(jià)格可以接受的話，運(yùn)放，特別是CFB運(yùn)放非常適合射頻設(shè)計(jì)。運(yùn)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(yùn) 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(dú)立控制，因而輸入和輸出VSWR較小；運(yùn)放由成百個(gè)晶體管組成，隔離效果很好；CFB運(yùn)放的正向增 益不受增益/帶寬積限制，有較高的增益。運(yùn)放射頻放大器的增益平坦度、-1dB壓縮點(diǎn)、互調(diào)制截距和噪聲都要比分立晶體管放大器略勝一籌。