运放式射频放大器
发布时间:2008/9/4 0:00:00 访问次数:647
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
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
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