非常見問題第195期： 為應(yīng)用選擇合適的射頻放大器指南

如何選擇合適的射頻放大器，不同射頻放大器之間有何區(qū)別?

答案:

為具體應(yīng)用選擇合適的射頻放大器時(shí)，應(yīng)考慮增益、噪聲、帶寬和效率等特性。

本文將評(píng)述最常用的射頻放大器，并說明增益、噪聲、帶寬、效率和各種功能特性如何影響不同應(yīng)用的放大器選擇。

射頻放大器有多種類型和形式，旨在滿足不同的應(yīng)用場景。然而，為目標(biāo)應(yīng)用選擇合適的射頻放大器時(shí)，種類如此繁多的射頻放大器使得這項(xiàng)工作變得并不輕松。雖然幾乎所有射頻放大器的關(guān)鍵特性都是其增益，但這并不是選擇合適的器件所要考慮的唯一參數(shù)，很多時(shí)候甚至也不是最重要的參數(shù)。

增益表明放大器可以為信號(hào)提供多大的提升，由輸出功率與輸入功率之比(以dB為單位)表示。它一般針對(duì)放大器的線性模式(即輸出功率的變化與輸入功率的相應(yīng)變化呈線性關(guān)系)進(jìn)行規(guī)定(參見圖1)。如果繼續(xù)提高射頻放大器的輸入信號(hào)的功率水平，器件將開始進(jìn)入非線性模式，并產(chǎn)生雜散頻率分量。這些干擾分量包括諧波和交調(diào)產(chǎn)物(參見圖2中的HD2、HD3、IMD2和IMD3)，代表了射頻放大器輸出端出現(xiàn)的交調(diào)失真(IMD)。射頻放大器處理不同輸入功率水平而不引入顯著失真的能力反映了其線性度性能，這可以用不同參數(shù)來表示(參見圖1)，包括：

輸出1 dB壓縮點(diǎn)(OP1dB)，其定義了系統(tǒng)增益降低1 dB時(shí)的輸出功率。

飽和輸出功率(PSAT)，即當(dāng)輸入功率變化不再改變輸出功率時(shí)的輸出功率。

2階交調(diào)點(diǎn)(IP2)和3階交調(diào)點(diǎn)(IP3)，它們是輸入(IIP2、IIP3)和輸出(OIP2、OIP3)信號(hào)功率水平的假設(shè)點(diǎn)，在這些點(diǎn)上，相應(yīng)雜散分量的功率將達(dá)到與基波分量相同的水平。

圖1.射頻放大器的輸出功率特性及其非線性參數(shù)

圖2.諧波和交調(diào)產(chǎn)物。

盡管增益描述了射頻放大器的關(guān)鍵功能，但線性度和其他特性在決定射頻放大器選擇方面起著重要作用。事實(shí)上，射頻放大器類型的選擇總是涉及不同設(shè)計(jì)參數(shù)之間的權(quán)衡。下面是為目標(biāo)用例選擇正確類型的射頻放大器的簡短指南。

低噪聲放大器

低噪聲放大器(LNA) 常常用于接收器應(yīng)用中，用于放大與天線接口的信號(hào)鏈前端的微弱信號(hào)。該類型射頻放大器經(jīng)過優(yōu)化，在執(zhí)行此功能時(shí)向信號(hào)引入的噪聲極小。在信號(hào)鏈的前面幾級(jí)，噪聲最小化尤為重要，因?yàn)檫@些級(jí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)的影響最大。

低相位噪聲放大器

低相位噪聲放大器 的額外相位噪聲極小，因而它們非常適合需要高信號(hào)完整性的射頻信號(hào)鏈。相位噪聲是近載波噪聲，表現(xiàn)為抖動(dòng)，其特征是信號(hào)的相位在時(shí)域中有微小波動(dòng)。因此，低相位噪聲放大器非常適合與高速時(shí)鐘和LO網(wǎng)絡(luò)中的高性能PLL頻率合成器結(jié)合使用。

功率放大器

功率放大器(PA) 針對(duì)功率處理性能進(jìn)行了優(yōu)化，適用于旨在提供高功率的應(yīng)用，如發(fā)射器系統(tǒng)等。這些放大器通常具有高OP1dB或PSAT特性，并提供高效率，從而可以保持低散熱。

高線性度放大器

高線性度放大器 用于在很寬的輸入功率范圍內(nèi)以極低的雜散水平提供高3階交調(diào)點(diǎn)。這種類型的器件是使用復(fù)數(shù)調(diào)制信號(hào)的通信應(yīng)用的常見選擇，此類應(yīng)用要求射頻放大器能夠以極小的信號(hào)失真處理高波峰因數(shù)，從而保持低誤碼率。

可變增益放大器

可變增益放大器(VGA) 用于需要通過靈活的增益調(diào)節(jié)來適應(yīng)信號(hào)電平變化的應(yīng)用。VGA通過提供可調(diào)增益來實(shí)現(xiàn)此功能，增益既可利用數(shù)字控制的VGA以數(shù)字方式逐步改變，也可利用模擬控制的VGA連續(xù)改變。此類放大器常常用于自動(dòng)增益控制(AGC)，以及用于補(bǔ)償其他元器件的溫度或特性變化所導(dǎo)致的增益漂移。

寬帶放大器

寬帶放大器 能在很寬的頻率范圍(通常涵蓋數(shù)個(gè)倍頻程)內(nèi)提供中等增益，多重寬帶應(yīng)用得益于此。這些放大器提供大增益帶寬積，其代價(jià)通常是效率和噪聲性能平庸。

增益模塊

其他通用射頻應(yīng)用也可以依靠 增益模塊 ，后者代表了廣泛的射頻放大器類別，可以涵蓋各種頻率、帶寬、增益和輸出功率水平。這些放大器通常提供平坦的增益響應(yīng)和良好的回波損耗。其設(shè)計(jì)常常包含匹配和偏置電路，因而只需極少的外部元件便可集成到信號(hào)鏈中，工作得以簡化。

結(jié)論

本文給出了射頻放大器及其應(yīng)用的幾個(gè)例子。然而，這些器件種類眾多，所針對(duì)的應(yīng)用數(shù)不勝數(shù)，這篇小文難免有所遺漏。射頻放大器可以采用不同的組裝和工藝技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提供不同的集成特性，支持特定的工作模式，并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的性能來滿足各種應(yīng)用的需要——從通信和工業(yè)系統(tǒng)到測試測量設(shè)備及航空航天系統(tǒng)。