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运放式射频放大器
wilton_gao 发表于 2008/9/15 23:07:04 1213 查看 3 回复 [上一主题] [下一主题]
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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。