运放式射频放大器

2011-03-07 19:05:53来源: 互联网
 传统射频放大器使用分立晶体管有源器件,主要原因是器件价格低廉。而随着运放性能的提高和批量应用的推动,射频放大器采用运放已成大势所趋。相对于分立晶体管,高速运放确实有其长处:首先,前者构成的放大器,其增益和带宽与晶体管的偏流和工作点关系很大,调整起来相对困难;而运放的增益是不受偏置影响的。其次,运放还能减少工作温度范围内的参数漂移,使工作更可靠和稳定。

  众所周知,运放又可分为电压反馈式(VFB)和电流反馈式(CFB)两种。在实际应用中,大量使用的是VFB运放,但在射频放大器应用中,CFB运放具有更出色的性能。VFB运放的增益一带宽积是恒定的,增益受到带宽的限制;CFB运放在接近最高频率处仍有较高的增益。例如,VFB运放THS4001开环带宽(-3dB)为270MHz,增益为100(20dB)时可用带宽仅为10MHz;而CFB运放THS3001开环带宽(-3dB)为420MHz,增益100时可用带宽可达150MHz。

  当然,射频设计者还要了解CFB运放的一些特点:

  ·放大器用运放的内部构造有所不同,但构成放大器的基本拓扑没有改变。

  ·CFB运放数据表推荐的反馈电阻RF值应严格遵守,增益应用RG来调整。

  ·反馈环中不能有电容存在。

  放大器的基本拓扑和参数

  CFB运放射频放大器的基本拓扑仍是反馈放大器结构,有同相放大器和反相放大器两种形式。另一方面,对射频电路而言,要特别关注输入端与输出端的阻抗匹配问题,系统常用50Ω电缆连接,由于运放的输入阻抗高,因而输入端并接一个50Ω电阻;在输出端,运放输出阻抗低,故而串接了一个50Ω电阻。这样,同相放大器就如图1所示。

  射频电路性能通常用4个散射(S)参数来表征。术语“散射”隐含着损耗的意思。反射,即散射参数S11与S12会减少有用的信号,反向传输S12从负载处返回输出功率,只有正传输S21是有用的散射参数。设计射频电路就是要减少S11、S22与S12而提高S21。射频放大器小信号交流参数可从S参数推得,两者的关系见表1,这些指标是频率依赖的。

  输入与输出电压驻波比(VSWR)是个比值,因而是一个无单位量,它是输入、输出阻抗与源阻抗、负载阻抗匹配的度量,为了避免反射应尽可能地匹配。VSWR定义为:

  VSWR=Z(I/O)/ZS或ZS/Z(I/O)

  理想的VSWR等于1:1,然而典型的VSWR在工作频率范围内不会好于1.5:1。运放的输入、输出阻抗是设计者选择的外部元件确定的,因此运放的数据表并未对VSWR作出规定。回波损耗—该值与VSWR的关系为:

  回波损耗 =20log(VSWR+1)/(VSWR-1)=10log(s11)2(输入)=10log(S22)2(输出)

  由于输出阻抗在射频处不是与ZL完全匹配的,它随环增益减少而逐渐增大,因而RO并联了一个电容进行补偿。

  正向传输S21是由输入电阻RG和反馈电阻RF确定的,对同相型运放S21表示为:

  S21=AL=1/2(1+RF/RG)

  注意,输出端增加了一个串联电阻,电压分压使增益降低了一半。对射频放大,常用功率增益来表示:

  PO(dBm)=10log(绝对功率/0.001W)

  dBm=dBV+13(50Ω终端电阻)

  反向传输S12表示输入与输出的隔离度,CFB射频运放的隔离度相当不错,尤其是同相型放大器,它的反馈连接在反相端,使隔离更佳。

  相位线性度—设计者常常关心RF电路的相位响应,CFB放大器的相位线性度比VFB型放大器好,如:

  VFB THS4001的差分相移为0.15°

  CFB THS3001的差分相移为0.02°

  频率响应平坦度——CFB放大器可通过微调电阻(见图1倒相端串联的电阻)来调整频响的平坦度而不会影响正向增益。再加上微调电阻后,RF和RG值要相应地减少,但它们的比值保持不变,因而增益也保持不变。

  -1dB压缩点—-1dB压缩点定义为:在固定频率下,放大器实际功率比预期值少1dB,换句话说,放大器增益比低功率下降低了1dB。-1dB压缩点是射频设计者对电压轨值的一种表述。射频设计者更关注增益的最大化,轻微的嵌位是允许的,只要产生的谐波在相关法规的范围内,于是确定了-1dB压缩点。

  标准交流耦合RF放大器在工作频率范围内显示出相对恒定的-1dB压缩点。在低频下,增加固定频率的功率最终会将输出驱动至轨值,即VOM指标;在高频下,运放会受到转换速率的限制,由于输出使用了匹配电阻,转换速率也降低了一半。

  双频三次谐波互调制截距——在RF带宽内,当两个空间相近的信号被放大时就会产生和频与差频,这些信号是互调制谐波,主要问题是这些谐波幅度的增长是基频的3倍。理论上,一个系统初始基频信号在0dBm水平,互调制谐波在-60dBm,当基频幅度增加时,谐波以3倍于基频的速度增长,最终在+30dBm处相交。典型的RF电路不会调整至+30dBm,因而3次互调制截距是理论上的,互调制截距越大越好。

  噪声值—当运放作为有源器件时,RF噪声值与运放噪声是一回事。热噪声有一定影响,但RF电路使用的电阻通常较小,它们的噪声可忽略不计。运放RF电路的噪声与增益和带宽有关。例如,使用一个运放,应用于10.7MHz中放,信号电平0dBV,增益为1,噪声谱密度如图2所示。此外,带宽越窄,噪声越低,见表2。

  结语

  如果价格可以接受的话,运放,特别是CFB运放非常适合射频设计。运放高频放大器的偏置与增益和终端无关,调整方便,工作稳定、可靠。此外,运放射频放大器有良好的散射参数,由于终端效应和匹配可独立控制,因而输入和输出VSWR较小;运放由成百个晶体管组成,隔离效果很好;CFB运放的正向增益不受增益/带宽积限制,有较高的增益。运放射频放大器的增益平坦度、-1dB压缩点、互调制截距和噪声都要比分立晶体管放大器略胜一筹。

关键字:放大器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0307/article_5405.html
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