射頻放大器的應(yīng)用類型有哪些？都具有哪些特點(diǎn)？

射頻放大器可分為高增益放大器、低噪聲放大器、中-高功率放大器。放大器電路的核心是微波晶體管。射頻功率放大器(RF PA)是各種無(wú)線發(fā)射機(jī)的重要組成部分。在發(fā)射機(jī)的前級(jí)電路中，調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的射頻信號(hào)功率很小，需要經(jīng)過(guò)一系列的放大一緩沖級(jí)、中間放大級(jí)、末級(jí)功率放大級(jí)，獲得足夠的射頻功率以后，才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用射頻功率放大器。

射頻功率放大器的工作頻率很高，但相對(duì)頻帶較窄，射頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。射頻功率放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同，分為甲(A)、乙(B)、丙(C)三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的導(dǎo)通角為360°，適用于小信號(hào)低功率放大，乙類放大器電流的導(dǎo)通角等于180°，丙類放大器電流的導(dǎo)通角則小于180°。乙類和丙類都適用于大功率工作狀態(tài)，丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高的。射頻功率放大器大多工作于丙類，但丙類放大器的電流波形失真太大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然接近于正弦波形，失真很小。

問(wèn)題：

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(shuō)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(chǎng)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(jiàn)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(kāi)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(jiàn)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(lái)表示(參見(jiàn)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。

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(jiǎn)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(guò)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(jiàn)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?cè)鲆娣糯笃?

可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)用于需要通過(guò)靈活的增益調(diào)節(jié)來(lái)適應(yīng)信號(hào)電平變化的應(yīng)用。VGA通過(guò)提供可調(diào)增益來(lái)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(jiǎn)化。

一、射頻放大器的分類

根據(jù)工作狀態(tài)的不同，功率放大器分類如下：

傳統(tǒng)線性功率放大器的工作頻率很高，但相對(duì)頻帶較窄，射頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。射頻功率放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同，分為甲(A)、乙(B)、丙(C)三類工作狀態(tài)。

甲類放大器電流的導(dǎo)通角為360°，適用于小信號(hào)低功率放大

乙類放大器電流的導(dǎo)通角等于180°

丙類放大器電流的導(dǎo)通角則小于180°

乙類和丙類都適用于大功率工作狀態(tài)，丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高的。射頻功率放大器大多工作于丙類，但丙類放大器的電流波形失真太大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然接近于正弦波形，失真很小。

開(kāi)關(guān)型功率放大器(Switching Mode PA,SMPA)，使電子器件工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，常見(jiàn)的有丁(D)類放大器和戊(E)類放大器，丁類放大器的效率高于丙類放大器。

SMPA將有源晶體管驅(qū)動(dòng)為開(kāi)關(guān)模式，晶體管的工作狀態(tài)要么是開(kāi)，要么是關(guān)，其電壓和電流的時(shí)域波形不存在交疊現(xiàn)象，所以是直流功耗為零，理想的效率能達(dá)到100%。

傳統(tǒng)線性功率放大器具有較高的增益和線性度但效率低，而開(kāi)關(guān)型功率放大器具有很高的效率和高輸出功率，但線性度差。具體見(jiàn)下表：

二、射頻放大器的電路組成

射頻放大器有不同類型，簡(jiǎn)化之，放大器的電路可以由以下幾個(gè)部分組成：晶體管、偏置及穩(wěn)定電路、輸入輸出匹配電路。

1、晶體管

晶體管有很多種，包括當(dāng)前還有多種結(jié)構(gòu)的晶體管被發(fā)明出來(lái)。本質(zhì)上，晶體管的工作都是表現(xiàn)為一個(gè)受控的電流源或電壓源，其工作機(jī)制是將不含內(nèi)容的直流的能量轉(zhuǎn)化為“有用的”輸出。直流能量乃是從外界獲得，晶體管加以消耗，并轉(zhuǎn)化成有用的成分。

不同的晶體管不同的“能力”，比如其承受功率的能力有區(qū)別，這也是因?yàn)槠淠塬@取的直流能量的能力不同所致;比如其反應(yīng)速度不同，這決定它能工作在多寬多高的頻帶上;比如其面向輸入、輸出端的阻抗不同，及對(duì)外的反應(yīng)能力不同，這決定了給它匹配的難易程度。

2、偏置電路及穩(wěn)定電路

偏置和穩(wěn)定電路是兩種不同的電路，但因?yàn)樗麄兺茈y區(qū)分，且設(shè)計(jì)目標(biāo)趨同，所以可以放在一起討論。

晶體管的工作需要在一定的偏置條件下，我們稱之為靜態(tài)工作點(diǎn)。這是晶體管立足的根本，是它自身的“定位”。每個(gè)晶體管都給自己進(jìn)行了一定的定位，其定位不同將決定了它自身的工作模式，在不同的定位上也存在著不同的性能表現(xiàn)。有些定位點(diǎn)上起伏較小，適合于小信號(hào)工作;有些定位點(diǎn)上起伏較大，適合于大功率輸出;有些定位點(diǎn)上索取較少，釋放純粹，適合于低噪聲工作;有些定位點(diǎn)，晶體管總是在飽和和截至之間徘徊，處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)。一個(gè)恰當(dāng)?shù)钠命c(diǎn)，是正常工作的礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)寬帶功率放大器時(shí)，或工作頻率較高時(shí)，偏置電路對(duì)電路性能影響較大，此時(shí)應(yīng)把偏置電路作為匹配電路的一部分考慮。

偏置網(wǎng)絡(luò)有兩大類型，無(wú)源網(wǎng)絡(luò)和有源網(wǎng)絡(luò)。無(wú)源網(wǎng)絡(luò)(即自偏置網(wǎng)絡(luò))通常由電阻網(wǎng)絡(luò)組成，為晶體管提供合適的工作電壓和電流。它的主要缺陷是對(duì)晶體管的參數(shù)變化十分敏感，并且溫度穩(wěn)定性較差。有源偏置網(wǎng)絡(luò)能改善靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性，還能提高良好的溫度穩(wěn)定性，但它也存在一些問(wèn)題，如增加了電路尺寸、增加了電路排版的難度以及增加了功率消耗。

穩(wěn)定電路一定要在匹配電路之前，因?yàn)榫w管需要將穩(wěn)定電路作為自身的一部分存在，再與外界接觸。在外界看來(lái)，加上穩(wěn)定電路的晶體管，是一個(gè)“全新的”晶體管。它做出一定的“犧牲”，獲得了穩(wěn)定性。穩(wěn)定電路的機(jī)制能夠保證晶體管順利而穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)。

3、輸入輸出匹配電路

匹配電路的目的是在選擇一種接受的方式。對(duì)于那些想提供更大增益的晶體管來(lái)說(shuō)，其途徑是全盤的接受和輸出。這意味著通過(guò)匹配電路這一個(gè)接口，不同的晶體管之間溝通更加順暢，對(duì)于不同種的射頻放大器類型來(lái)說(shuō)，匹配電路并不是只有“全盤接受”一種設(shè)計(jì)方法。一些直流小、根基淺的小型管，更愿意在接受的時(shí)候做一定的阻擋，來(lái)獲取更好的噪聲性能，然而不能阻擋過(guò)了頭，否則會(huì)影響其貢獻(xiàn)。而對(duì)于一些巨型功率管，則需要在輸出時(shí)謹(jǐn)小慎微，因?yàn)樗麄兏环€(wěn)定，同時(shí)，一定的保留有助于他們發(fā)揮出更多的“不扭曲的”能量。

典型的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)有L匹配、π形匹配和T形匹配。其中L匹配，其特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且只有兩個(gè)自由度L和C。一旦確定了阻抗變換比率和諧振頻率，網(wǎng)絡(luò)的Q值(帶寬)也就確定了。π形匹配網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是不管什么樣的寄生電容，只要連接到它，都可以被吸到網(wǎng)絡(luò)中，這也導(dǎo)致了π形匹配網(wǎng)絡(luò)的普遍應(yīng)用，因?yàn)樵诤芏嗟膶?shí)際情況中，占支配地位的寄生元件是電容。T形匹配，當(dāng)電源端和負(fù)載端的寄生參數(shù)主要呈電感性質(zhì)時(shí)，可用T形匹配來(lái)把這些寄生參數(shù)吸收入網(wǎng)絡(luò)。