淺談五類放大器的基本特性

放大器是當(dāng)今RF/IF信號(hào)鏈中功能最多樣的構(gòu)建模塊之一。設(shè)計(jì)中廣泛使用放大器來(lái)解決無(wú)源器件或元件引起的信號(hào)損耗問(wèn)題。整個(gè)收發(fā)器都需要RF放大器來(lái)提高信號(hào)強(qiáng)度。在接收器中，放大器放大微弱的輸入信號(hào);在發(fā)射器中，當(dāng)信號(hào)接近最終功率放大器級(jí)時(shí)，放大器則用來(lái)提高信號(hào)強(qiáng)度。由于整個(gè)RF/IF信號(hào)鏈都會(huì)發(fā)生這種損耗，因此ADI公司針對(duì)各特定無(wú)線電部分的需要，開(kāi)發(fā)了五個(gè)系列的放大器，分別是：LNA(低噪聲放大器)、IFA(中頻放大器)、驅(qū)動(dòng)器放大器、增益模塊和VGA(可變?cè)鲆娣糯笃?。

雖然各放大器系列針對(duì)某些應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，但所有放大器都有一些共同的特性需要在設(shè)計(jì)階段予以考慮。每個(gè)放大器都會(huì)提供一定的增益，增益隨頻率的變化是一個(gè)重要考慮因素。在較高頻率時(shí)，放大器的增益一般會(huì)降低，進(jìn)而可能需要在信號(hào)鏈的其它地方予以補(bǔ)償。數(shù)據(jù)手冊(cè)中的豐富信息也有助于加快設(shè)計(jì)過(guò)程。借助特性隨溫度、電源電壓和工作頻率的變化等數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)人員可以減少驗(yàn)證所需時(shí)間，從而大大縮短項(xiàng)目的上市時(shí)間。另一個(gè)需要考慮的特性是放大器的ESD額定值。ESD額定值與器件能夠承受而不會(huì)受到損壞的靜電放電量有關(guān)。ADI公司的寬帶匹配IFA和增益模塊經(jīng)過(guò)優(yōu)化，增益隨頻率的滾降被降至最小，而且所有放大器都能在整個(gè)溫度、電源電壓和頻率范圍內(nèi)提供額定性能，因此產(chǎn)品選型和設(shè)計(jì)導(dǎo)入過(guò)程得以簡(jiǎn)化。此外，ADI公司的放大器額定性能達(dá)到了最高ESD標(biāo)準(zhǔn)，在大規(guī)模制造環(huán)境中穩(wěn)定可靠。

當(dāng)今無(wú)線電設(shè)計(jì)的一個(gè)普遍趨勢(shì)是尺寸更小且功耗更低，所需的電路板空間和散熱量因此也更少，有助于降低成本。ADI公司的放大器致力于提高效率，以業(yè)界最低的功耗提供業(yè)界領(lǐng)先的性能。這些放大器不僅提供標(biāo)準(zhǔn)SOT-89封裝，而且提供更小、更緊湊的LFCSP封裝，以便節(jié)省電路板面積。ADI公司圍繞增益模塊放大器集成了其它功能：ADL5240 VGA中集成一個(gè)數(shù)字步進(jìn)衰減器(DSA)，ADL5243 VGA除了包含上述兩個(gè)功能外，還集成一個(gè)1/4W驅(qū)動(dòng)器放大器。整個(gè)IFA系列和增益模塊均內(nèi)部匹配50 Ω電阻，并且所有放大器均集成有源偏置電路，只需極少的外部器件，從而進(jìn)一步節(jié)省電路板空間。

低噪聲放大器

現(xiàn)在我們將詳細(xì)討論第一類放大器——低噪聲放大器(LNA)。LNA通常用作接收路徑中的第一個(gè)有源元件。它是界定系統(tǒng)總體性能的關(guān)鍵元件，必須能在不顯著增加噪聲的情況下成功放大極低的電平信號(hào)。選擇LNA時(shí)需要考慮的一個(gè)重要特性是噪聲系數(shù)，該系數(shù)與放大器增加到輸入信號(hào)中的噪聲量有關(guān)。P1dB和OIP3也很重要，前者與放大器可以輸出的線性信號(hào)功率量有關(guān)，后者與功率處理能力，即放大器能夠處理而不會(huì)受到損害的輸入功率量有關(guān)。ADI公司ADL5521和ADL5523 LNA的上述所有參數(shù)均很出色，實(shí)現(xiàn)了1dB以下的噪聲系數(shù)、21dBm P1dB、37dBm OIP3和20dBm的輸入功率處理能力。

中頻放大器

中頻放大器設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)IF頻率范圍(無(wú)線電架構(gòu)中通常低于500MHz)內(nèi)的高性能操作。接收器的IF部分需要高動(dòng)態(tài)范圍放大，否則信號(hào)將在模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行數(shù)字化處理之前發(fā)生失真。放大器要實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍，必須同時(shí)具有低噪聲系數(shù)和高OIP3。ADI公司的ADL5535和ADL5536 IFA提供業(yè)界最佳的低噪聲系數(shù)與高OIP3組合。ADL5535在380MHz時(shí)提供16dB增益、3.3dB噪聲系數(shù)和45.5dBm OIP3，采用5V電源供電時(shí)功耗僅97mA。ADL5536在380MHz時(shí)提供20dB增益、2.7dB噪聲系數(shù)和49dBm OIP3，采用5V電源供電時(shí)功耗僅105mA。

圖1：ADI IFA具有高線性度、低噪聲系數(shù)、平坦增益和低功耗特性。

驅(qū)動(dòng)器放大器

驅(qū)動(dòng)放大器一般用在無(wú)線電架構(gòu)的發(fā)射路徑中，用于在將信號(hào)發(fā)送至最終高功率放大器級(jí)之前提高信號(hào)強(qiáng)度。為了有效完成這一任務(wù)，驅(qū)動(dòng)器需要針對(duì)給定輸出功率提供高線性度，以便實(shí)現(xiàn)低失真、高輸出驅(qū)動(dòng)能力。ADI公司的ADL5320(0.4-2.7GHz)和ADL5321(2.3-4GHz) SOT-89 1/4W驅(qū)動(dòng)器支持寬帶操作，對(duì)于選定的工作頻段，只需極少的外部匹配元件。ADL5320在2.14GHz時(shí)的輸出線性度為42dBm，輸出壓縮點(diǎn)為25.7dBm，采用5V電源供電時(shí)功耗僅104mA。ADL5321在2.6GHz時(shí)的輸出線性度為41dBm，輸出壓縮點(diǎn)為25.7dBm，采用5V電源供電時(shí)功耗僅90mA。如果需要更高的P1dB，ADI公司的新產(chǎn)品ADL5324 SOT-89 1/2W驅(qū)動(dòng)器集成了動(dòng)態(tài)可調(diào)偏置電路，無(wú)需外部偏置電阻即可在3.3V至5V范圍內(nèi)定制OIP3和P1dB性能。此特性使設(shè)計(jì)人員可以針對(duì)具體設(shè)計(jì)需要量身定制驅(qū)動(dòng)器放大器性能?？烧{(diào)偏置還支持動(dòng)態(tài)偏置驅(qū)動(dòng)器，從而在不需要驅(qū)動(dòng)放大器發(fā)揮最高性能時(shí)節(jié)省功耗，例如系統(tǒng)處于待機(jī)模式時(shí)。這一可擴(kuò)展性減少了評(píng)估需要，也不必針對(duì)不同輸出功率要求(25dBm至29dBm輸出功率電平)預(yù)備多個(gè)驅(qū)動(dòng)器放大器。ADL5324還具有-40°C至+105°C的寬工作溫度范圍，為功率放大器等承受較高溫度的設(shè)計(jì)提供了可靠性能。同時(shí)這款1/2W驅(qū)動(dòng)器放大器覆蓋400MHz至4,000MHz的寬頻率范圍，僅需幾個(gè)外部元件就能調(diào)諧至該范圍內(nèi)的具體頻段。ADL5324 GaAs HBT 1/2W驅(qū)動(dòng)器放大器功耗業(yè)界最低(5V電源時(shí)僅133mA)，并提供同類最佳的性能：43.1dBm OIP3、29.1dBm P1dB、14.6dB增益、3.8dB噪聲系數(shù)(2140MHz時(shí))。當(dāng)偏置電壓降至3.3V時(shí)，該驅(qū)動(dòng)器功耗僅為62mA，性能如下：34.4dBm OIP3、25.3dBm P1dB、13.6dB增益、3.2dB噪聲系數(shù)(2140MHz時(shí))。如需更高的P1dB，可考慮單級(jí)1W放大器ADL5604 (0.7-2.7GHz)以及更高增益的雙級(jí)1W放大器ADL5605(0.4-1.0GHz)和ADL5606(1.8-2.7GHz)，這些放大器在其調(diào)諧頻率范圍內(nèi)可提供極為平坦的增益和非常高的輸出三階交調(diào)截點(diǎn)(OIP3)特性。ADL5605提供極其平坦的23dB增益、31.1dBm的P1dB、44.3dBm的OIP3和4.8dB的噪聲系數(shù)(943MHz時(shí))。ADL5606提供極其平坦的23.8dB增益、30.7dBm的P1dB、45.7dBm的OIP3和4.8dB的噪聲系數(shù)(2140MHz時(shí))。

圖2: 業(yè)界首款具有動(dòng)態(tài)可調(diào)偏置特性和擴(kuò)展溫度范圍的1/2W驅(qū)動(dòng)器放大器。

增益模塊

增益模塊是最靈活的放大器系列，因?yàn)樗茉贗F到RF的寬頻率范圍內(nèi)提供固定的增益。選擇增益模塊時(shí)需要考慮的特性取決于其實(shí)際應(yīng)用，不過(guò)在寬帶應(yīng)用中，增益平坦度與頻率的關(guān)系很重要。為防止信號(hào)因?yàn)榉糯蠖l(fā)生失真，動(dòng)態(tài)范圍也很重要。在現(xiàn)有的內(nèi)部匹配增益模塊中，ADI公司ADL5601和ADL5602提供的動(dòng)態(tài)范圍最高。這一性能是在整個(gè)4GHz頻率范圍內(nèi)，通過(guò)同時(shí)提供極低的噪聲系數(shù)和非常高的OIP3特性而實(shí)現(xiàn)的。ADL5601在900MHz時(shí)提供15dB增益、43dBm的OIP3和3.7dB的噪聲系數(shù)，功耗僅83mA。ADL5602在2GHz時(shí)提供20dB增益、42dBm的OIP3和3.3dB的噪聲系數(shù)，功耗僅89mA。這些內(nèi)部匹配的增益模塊還經(jīng)過(guò)優(yōu)化，增益隨頻率的滾降被降至最小。二者均支持Class 1C(±1.5kV) ESD保護(hù)，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SOT-89封裝，易于在當(dāng)前設(shè)計(jì)中直接使用和評(píng)估。ADL5541和ADL5542是寬帶增益模塊，在低頻至6 GHz范圍內(nèi)工作，提供小尺寸LFCSP封裝。

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