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運放式射頻放大器

發布時間:2008/9/4 0:00:00 訪問次數:622

  傳統射頻放大器使用分立晶體管有源器件,主要原因是器件價格低廉。而隨著運放性能的提高和批量應用的推動,射頻放大器采用運放已成大勢所趨。相對于分立晶體管,高速運放確實有其長處:首先,前者構成的放大器,其增益和帶寬與晶體管的偏流和工作點關系很大,調整起來相對困難;而運放的增益是不受偏置影響的。其次,運放還能減少工作溫度范圍內的參數漂移,使工作更可靠和穩定。

  眾所周知,運放又可分為電壓反饋式(vfb)和電流反饋式(cfb)兩種。在實際應用中,大量使用的是vfb運放,但在射頻放大器應用中,cfb運放具有更出色的性能。vfb運放的增益一帶寬積是恒定的,增益受到帶寬的限制;cfb運放在接近最高頻率處仍有較高的增益。例如,vfb運放ths4001開環帶寬(-3db)為270mhz,增益為100(20db)時可用帶寬僅為10mhz;而cfb運放ths3001開環帶寬(-3db)為420mhz,增益100時可用帶寬可達150mhz。

  當然,射頻設計者還要了解cfb運放的一些特點:

  ·放大器用運放的內部構造有所不同,但構成放大器的基本拓撲沒有改變。

  ·cfb運放數據表推薦的反饋電阻rf值應嚴格遵守,增益應用rg來調整。

  ·反饋環中不能有電容存在。

  放大器的基本拓撲和參數

  cfb運放射頻放大器的基本拓撲仍是反饋放大器結構,有同相放大器和反相放大器兩種形式。另一方面,對射頻電路而言,要特別關注輸入端與輸出端的阻抗匹配問題,系統常用50ω電纜連接,由于運放的輸入阻抗高,因而輸入端并接一個50ω電阻;在輸出端,運放輸出阻抗低,故而串接了一個50ω電阻。這樣,同相放大器就如圖1所示。

  射頻電路性能通常用4個散射(s)參數來表征。術語“散射”隱含著損耗的意思。反射,即散射參數s11與s12會減少有用的信號,反向傳輸s12從負載處返回輸出功率,只有正傳輸s21是有用的散射參數。設計射頻電路就是要減少s11、s22與s12而提高s21。射頻放大器小信號交流參數可從s參數推得,兩者的關系見表1,這些指標是頻率依賴的。

  輸入與輸出電壓駐波比(vswr)是個比值,因而是一個無單位量,它是輸入、輸出阻抗與源阻抗、負載阻抗匹配的度量,為了避免反射應盡可能地匹配。vswr定義為:

  vswr=z(i/o)/zs或zs/z(i/o)

  理想的vswr等于1:1,然而典型的vswr在工作頻率范圍內不會好于1.5:1。運放的輸入、輸出阻抗是設計者選擇的外部元件確定的,因此運放的數據表并未對vswr作出規定。回波損耗—該值與vswr的關系為:

  回波損耗 =20log(vswr+1)/(vswr-1)=10log(s11)2(輸入)=10log(s22)2(輸出)

  由于輸出阻抗在射頻處不是與zl完全匹配的,它隨環增益減少而逐漸增大,因而ro并聯了一個電容進行補償。

  正向傳輸s21是由輸入電阻rg和反饋電阻rf確定的,對同相型運放s21表示為:

  s21=al=1/2(1+rf/rg)

  注意,輸出端增加了一個串聯電阻,電壓分壓使增益降低了一半。對射頻放大,常用功率增益來表示:

  po(dbm)=10log(絕對功率/0.001w)

  dbm=dbv+13(50ω終端電阻)

  反向傳輸s12表示輸入與輸出的隔離度,cfb射頻運放的隔離度相當不錯,尤其是同相型放大器,它的反饋連接在反相端,使隔離更佳。

  相位線性度—設計者常常關心rf電路的相位響應,cfb放大器的相位線性度比vfb型放大器好,如:

  vfb ths4001的差分相移為0.15°

  cfb ths3001的差分相移為0.02°

  頻率響應平坦度——cfb放大器可通過微調電阻(見圖1倒相端串聯的電阻)來調整頻響的平坦度而不會影響正向增益。再加上微調電阻后,rf和rg值要相應地減少,但它們的比值保持不變,因而增益也保持不變。

  -1db壓縮點—-1db壓縮點定義為:在固定頻率下,放大器實際功率比預期值少1db,換句話說,放大器增益比低功率下降低了1db。-1db壓縮點是射頻設計者對電壓軌值的一種表述。射頻設計者更關注增益的最大化,輕微的嵌位是允許的,只要產生的諧波在相關法規的范圍內,于是確定了-1db壓縮點。

  標準交流耦合rf放大器在工作頻率范圍內顯示出相對恒定的-1db壓縮點。在低頻下,增加固定頻率的功率最終會將輸出驅動至軌值,即vom指標;在高頻下,運放會受到轉換速率的限制,由于輸出使用了

  傳統射頻放大器使用分立晶體管有源器件,主要原因是器件價格低廉。而隨著運放性能的提高和批量應用的推動,射頻放大器采用運放已成大勢所趨。相對于分立晶體管,高速運放確實有其長處:首先,前者構成的放大器,其增益和帶寬與晶體管的偏流和工作點關系很大,調整起來相對困難;而運放的增益是不受偏置影響的。其次,運放還能減少工作溫度范圍內的參數漂移,使工作更可靠和穩定。

  眾所周知,運放又可分為電壓反饋式(vfb)和電流反饋式(cfb)兩種。在實際應用中,大量使用的是vfb運放,但在射頻放大器應用中,cfb運放具有更出色的性能。vfb運放的增益一帶寬積是恒定的,增益受到帶寬的限制;cfb運放在接近最高頻率處仍有較高的增益。例如,vfb運放ths4001開環帶寬(-3db)為270mhz,增益為100(20db)時可用帶寬僅為10mhz;而cfb運放ths3001開環帶寬(-3db)為420mhz,增益100時可用帶寬可達150mhz。

  當然,射頻設計者還要了解cfb運放的一些特點:

  ·放大器用運放的內部構造有所不同,但構成放大器的基本拓撲沒有改變。

  ·cfb運放數據表推薦的反饋電阻rf值應嚴格遵守,增益應用rg來調整。

  ·反饋環中不能有電容存在。

  放大器的基本拓撲和參數

  cfb運放射頻放大器的基本拓撲仍是反饋放大器結構,有同相放大器和反相放大器兩種形式。另一方面,對射頻電路而言,要特別關注輸入端與輸出端的阻抗匹配問題,系統常用50ω電纜連接,由于運放的輸入阻抗高,因而輸入端并接一個50ω電阻;在輸出端,運放輸出阻抗低,故而串接了一個50ω電阻。這樣,同相放大器就如圖1所示。

  射頻電路性能通常用4個散射(s)參數來表征。術語“散射”隱含著損耗的意思。反射,即散射參數s11與s12會減少有用的信號,反向傳輸s12從負載處返回輸出功率,只有正傳輸s21是有用的散射參數。設計射頻電路就是要減少s11、s22與s12而提高s21。射頻放大器小信號交流參數可從s參數推得,兩者的關系見表1,這些指標是頻率依賴的。

  輸入與輸出電壓駐波比(vswr)是個比值,因而是一個無單位量,它是輸入、輸出阻抗與源阻抗、負載阻抗匹配的度量,為了避免反射應盡可能地匹配。vswr定義為:

  vswr=z(i/o)/zs或zs/z(i/o)

  理想的vswr等于1:1,然而典型的vswr在工作頻率范圍內不會好于1.5:1。運放的輸入、輸出阻抗是設計者選擇的外部元件確定的,因此運放的數據表并未對vswr作出規定。回波損耗—該值與vswr的關系為:

  回波損耗 =20log(vswr+1)/(vswr-1)=10log(s11)2(輸入)=10log(s22)2(輸出)

  由于輸出阻抗在射頻處不是與zl完全匹配的,它隨環增益減少而逐漸增大,因而ro并聯了一個電容進行補償。

  正向傳輸s21是由輸入電阻rg和反饋電阻rf確定的,對同相型運放s21表示為:

  s21=al=1/2(1+rf/rg)

  注意,輸出端增加了一個串聯電阻,電壓分壓使增益降低了一半。對射頻放大,常用功率增益來表示:

  po(dbm)=10log(絕對功率/0.001w)

  dbm=dbv+13(50ω終端電阻)

  反向傳輸s12表示輸入與輸出的隔離度,cfb射頻運放的隔離度相當不錯,尤其是同相型放大器,它的反饋連接在反相端,使隔離更佳。

  相位線性度—設計者常常關心rf電路的相位響應,cfb放大器的相位線性度比vfb型放大器好,如:

  vfb ths4001的差分相移為0.15°

  cfb ths3001的差分相移為0.02°

  頻率響應平坦度——cfb放大器可通過微調電阻(見圖1倒相端串聯的電阻)來調整頻響的平坦度而不會影響正向增益。再加上微調電阻后,rf和rg值要相應地減少,但它們的比值保持不變,因而增益也保持不變。

  -1db壓縮點—-1db壓縮點定義為:在固定頻率下,放大器實際功率比預期值少1db,換句話說,放大器增益比低功率下降低了1db。-1db壓縮點是射頻設計者對電壓軌值的一種表述。射頻設計者更關注增益的最大化,輕微的嵌位是允許的,只要產生的諧波在相關法規的范圍內,于是確定了-1db壓縮點。

  標準交流耦合rf放大器在工作頻率范圍內顯示出相對恒定的-1db壓縮點。在低頻下,增加固定頻率的功率最終會將輸出驅動至軌值,即vom指標;在高頻下,運放會受到轉換速率的限制,由于輸出使用了

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