运放式射频放大器

中心论题：

• 简要介绍放大器
• 放大器的基本拓扑和参数

解决方案：

• 运放射频放大器有良好的散射参数，输入和输出VSWR较小
• 运放隔离效果很好
• CFB运放的正向增益不受增益/带宽积限制，有较高的增益
• 运放射频放大器的增益平坦度、-1dB压缩点、互调制截距和噪声都要比分立晶体管放大器略胜一筹

传统射频放大器使用分立晶体管有源器件，主要原因是器件价格低廉。而随着运放性能的提高和批量应用的推动，射频放大器采用运放已成大势所趋。相对于分立晶体管，高速运放确实有其长处：首先，前者构成的放大器，其增益和带宽与晶体管的偏流和工作点关系很大，调整起来相对困难；而运放的增益是不受偏置影响的。其次，运放还能减少工作温度范围内的参数漂移，使工作更可靠和稳定。
　　
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。
　　
噪声值—当运放作为有源器件时，RF噪声值与运放噪声是一回事。热噪声有一定影响，但RF电路使用的电阻通常较小，它们的噪声可忽略不计。运放RF电路的噪声与增益和带宽有关。例如，使用一个运放，应用于10.7MHz中放，信号电平0dBV，增益为1，噪声谱密度如图2所示。此外，带宽越窄，噪声越低，见表2。

结语
如果价格可以接受的话，运放，特别是CFB运放非常适合射频设计。运放高频放大器的偏置与增益和终端无关，调整方便，工作稳定、可靠。此外，运放射频放大器有良好的散射参数，由于终端效应和匹配可独立控制，因而输入和输出VSWR较小；运放由成百个晶体管组成，隔离效果很好；CFB运放的正向增益不受增益/带宽积限制，有较高的增益。运放射频放大器的增益平坦度、-1dB压缩点、互调制截距和噪声都要比分立晶体管放大器略胜一筹。