非常见问题第195期:为应用选择合适的射频放大器指南

问题:

如何选择合适的射频放大器,不同射频放大器之间有何区别?

RAQ Issue: 195

答案:

为具体应用选择合适的射频放大器时,应考虑增益、噪声、带宽和效率等特性。

本文将评述最常用的射频放大器,并说明增益、噪声、带宽、效率和各种功能特性如何影响不同应用的放大器选择。

射频放大器有多种类型和形式,旨在满足不同的应用场景。然而,为目标应用选择合适的射频放大器时,种类如此繁多的射频放大器使得这项工作变得并不轻松。虽然几乎所有射频放大器的关键特性都是其增益,但这并不是选择合适的器件所要考虑的唯一参数,很多时候甚至也不是最重要的参数。

增益表明放大器可以为信号提供多大的提升,由输出功率与输入功率之比(以dB为单位)表示。它一般针对放大器的线性模式(即输出功率的变化与输入功率的相应变化呈线性关系)进行规定(参见图1)。如果继续提高射频放大器的输入信号的功率水平,器件将开始进入非线性模式,并产生杂散频率分量。这些干扰分量包括谐波和交调产物(参见图2中的HD2、HD3、IMD2和IMD3),代表了射频放大器输出端出现的交调失真(IMD)。射频放大器处理不同输入功率水平而不引入显著失真的能力反映了其线性度性能,这可以用不同参数来表示(参见图1),包括:

  • 输出1 dB压缩点(OP1dB),其定义了系统增益降低1 dB时的输出功率。
  • 饱和输出功率(PSAT),即当输入功率变化不再改变输出功率时的输出功率。
  • 2阶交调点(IP2)和3阶交调点(IP3),它们是输入(IIP2、IIP3)和输出(OIP2、OIP3)信号功率水平的假设点,在这些点上,相应杂散分量的功率将达到与基波分量相同的水平。
图1.射频放大器的输出功率特性及其非线性参数
图2.谐波和交调产物。

尽管增益描述了射频放大器的关键功能,但线性度和其他特性在决定射频放大器选择方面起着重要作用。事实上,射频放大器类型的选择总是涉及不同设计参数之间的权衡。下面是为目标用例选择正确类型的射频放大器的简短指南。

低噪声放大器

低噪声放大器(LNA) 常常用于接收器应用中,用于放大与天线接口的信号链前端的微弱信号。该类型射频放大器经过优化,在执行此功能时向信号引入的噪声极小。在信号链的前面几级,噪声最小化尤为重要,因为这些级对整个系统的总噪声系数的影响最大。

低相位噪声放大器

低相位噪声放大器 的额外相位噪声极小,因而它们非常适合需要高信号完整性的射频信号链。相位噪声是近载波噪声,表现为抖动,其特征是信号的相位在时域中有微小波动。因此,低相位噪声放大器非常适合与高速时钟和LO网络中的高性能PLL频率合成器结合使用。

功率放大器

功率放大器(PA) 针对功率处理性能进行了优化,适用于旨在提供高功率的应用,如发射器系统等。这些放大器通常具有高OP1dB或PSAT特性,并提供高效率,从而可以保持低散热。

高线性度放大器

高线性度放大器 用于在很宽的输入功率范围内以极低的杂散水平提供高3阶交调点。这种类型的器件是使用复数调制信号的通信应用的常见选择,此类应用要求射频放大器能够以极小的信号失真处理高波峰因数,从而保持低误码率。

可变增益放大器

可变增益放大器(VGA) 用于需要通过灵活的增益调节来适应信号电平变化的应用。VGA通过提供可调增益来实现此功能,增益既可利用数字控制的VGA以数字方式逐步改变,也可利用模拟控制的VGA连续改变。此类放大器常常用于自动增益控制(AGC),以及用于补偿其他元器件的温度或特性变化所导致的增益漂移。

宽带放大器

宽带放大器 能在很宽的频率范围(通常涵盖数个倍频程)内提供中等增益,多重宽带应用得益于此。这些放大器提供大增益带宽积,其代价通常是效率和噪声性能平庸。

增益模块

其他通用射频应用也可以依靠 增益模块 ,后者代表了广泛的射频放大器类别,可以涵盖各种频率、带宽、增益和输出功率水平。这些放大器通常提供平坦的增益响应和良好的回波损耗。其设计常常包含匹配和偏置电路,因而只需极少的外部元件便可集成到信号链中,工作得以简化。

结论

本文给出了射频放大器及其应用的几个例子。然而,这些器件种类众多,所针对的应用数不胜数,这篇小文难免有所遗漏。射频放大器可以采用不同的组装和工艺技术进行设计,以提供不同的集成特性,支持特定的工作模式,并实现优化的性能来满足各种应用的需要——从通信和工业系统到测试测量设备及航空航天系统。

作者

Anton Patyuchenko

Anton Patyuchenko

Anton Patyuchenko 于2007年获得慕尼黑技术大学微波工程硕士学位。毕业之后,Anton曾在德国航空航天中心(DLR)担任科学家。他于2015年加入ADI公司担任现场应用工程师,目前为ADI公司战略与重点客户提供现场应用支持,主要负责医疗保健、能源和微波应用。