為應用選擇合適的射頻放大器

作者:ADI 現場應用工程師Anton Patyuchenko


問題:

如何選擇合適的射頻放大器,不同射頻放大器之間有何區別?

RAQ Issue: 195

答案:

為具體應用選擇合適的射頻放大器時,應考慮增益、雜訊、頻寬和效率等特性。

本文將評述最常用的射頻放大器,並說明增益、雜訊、頻寬、效率和各種功能特性如何影響不同應用的放大器選擇。

射頻放大器有多種類型和形式,目的在於滿足不同的應用場景。然而,為目標應用選擇合適的射頻放大器時,種類如此繁多的射頻放大器使得這項工作變得並不輕鬆。雖然幾乎所有射頻放大器的關鍵特性都是其增益,但這並不是選擇合適的元件所要考慮的唯一參數,很多時候甚至也不是最重要的參數。

增益顯示放大器可以為訊號提供多大的提升,由輸出功率與輸入功率之比(以dB為單位)表示。它一般針對放大器的線性模式(即輸出功率的變化與輸入功率的相應變化呈線性關係)進行規定(參見圖1)。如果繼續提升射頻放大器的輸入訊號的功率水準,元件將開始進入非線性模式,並產生雜散頻率分量。這些干擾分量包括諧波和互調產物(參見圖2中的HD2、HD3、IMD2和IMD3),代表了射頻放大器輸出端出現的互調失真(IMD)。射頻放大器處理不同輸入功率水準而不引入明顯失真的能力反映了其線性度性能,這可以用不同參數來表示(參見圖1),包括:

  • 輸出1 dB壓縮點(OP1dB),其定義了系統增益降低1 dB時的輸出功率。
  • 飽和輸出功率(PSAT),即當輸入功率變化不再改變輸出功率時的輸出功率。
  • 2階截取點(IP2)和3階截取點(IP3),它們是輸入(IIP2、IIP3)和輸出(OIP2、OIP3)訊號功率位準的假設點,在這些點上,相應雜散分量的功率將達到與基波分量相同的水準。
Figure 1. The output power characteristic of an RF amplifier and its nonlinear parameters.
圖1.射頻放大器的輸出功率特性及其非線性參數
Figure 2. Harmonics and intermodulation products.
圖2.諧波和互調產物。

儘管增益描述了射頻放大器的關鍵功能,但線性度和其他特性在決定射頻放大器選擇方面產生重要作用。事實上,射頻放大器類型的選擇總是涉及不同設計參數之間的權衡。以下是為目標用例選擇正確類型射頻放大器的簡短指南。

低雜訊放大器

低雜訊放大器(LNA) 常常用於接收器應用中,用於放大與天線介面的訊號鏈前端的微弱訊號。該類型射頻放大器經過優化,在執行此功能時向訊號引入的雜訊極小。在訊號鏈的前面幾級,雜訊最小化尤為重要,因為這些級對整個系統的總雜訊係數的影響最大。

低相位雜訊放大器

低相位雜訊放大器 的額外相位雜訊極小,因而它們非常適合需要高訊號完整性的射頻訊號鏈。相位雜訊是近載波雜訊,表現為抖動,其特徵是訊號的相位在時域中有微小波動。因此,低相位雜訊放大器非常適合與高速時脈和LO網路中的高性能PLL頻率合成器結合使用。

功率放大器

功率放大器(PA) 針對功率處理性能進行了優化,適用於需要提供高功率的應用,如發射器系統等。這些放大器通常具有高OP1dB或PSAT特性,並提供高效率,因而可以協助保持低散熱。

高線性度放大器

高線性度放大器 用於在很寬的輸入功率範圍內以極低的雜散水平提供高3階截取點。這種類型的元件是使用複數調變訊號的通訊應用之常見選擇,此類應用要求射頻放大器能夠以極小的訊號失真處理高波峰因數,進而保持低誤碼率。

可變增益放大器

可變增益放大器(VGA) 用於需要透過彈性的增益調節來適應訊號位準變化的應用。VGA透過提供可調增益來實現此功能,增益既可利用數位控制的VGA以數位方式逐步改變,也可利用類比控制的VGA連續改變。此類放大器常常用於自動增益控制(AGC),以及用於補償其他元組件的溫度或特性變化所導致的增益漂移。

寬頻放大器

寬頻放大器 能在很寬的頻率範圍(通常涵蓋數個倍頻程)內提供中等增益,多重寬頻應用得益於此。這些放大器提供大增益頻寬積,其代價通常是效率和雜訊性能平庸。

增益模組

其他通用射頻應用也可以依靠 增益模組 ,後者代表了廣泛的射頻放大器類別,可以涵蓋各種頻率、頻寬、增益和輸出功率水準。這些放大器通常提供平坦的增益回應和良好的回波損耗。其設計常常包含匹配和偏置電路,因而只需極少的外部元件便可整合到訊號鏈中,因此使得相關工作得以簡化。

結論

本文提供射頻放大器及其應用的幾個例子。然而,這些元件種類眾多,所針對的應用不勝枚舉,這篇短文難免有所遺漏。射頻放大器可以採用不同的組裝和製程技術進行設計,以提供不同的整合特性,支援特定的工作模式,並實現優化的性能來滿足各種應用的需要——從通訊和工業系統到測試測量設備及航空航太系統。