第四章噪聲與小信號(hào)放大器4.1噪聲來(lái)源和特性4.2電路中元器件的噪聲4.3功率信噪比和噪聲系數(shù)4.4射頻小信號(hào)放大器4.5射頻小信號(hào)調(diào)諧放大器4.6S參數(shù)與放大器設(shè)計(jì)4.7寬頻帶小信號(hào)放大器4.8低噪聲放大器4.9集成器件與應(yīng)用電路舉例本章小結(jié)思考題和習(xí)題

射頻小信號(hào)放大器是射頻通信設(shè)備中,尤其是接收機(jī)中的重要功能電路。其主要功能是對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行不失真的放大,使信號(hào)達(dá)到足夠的功率電平,可以提高接收機(jī)的接收靈敏度。

噪聲與干擾泛指有用信號(hào)以外的其他一切無(wú)用信號(hào)。通常把有確定來(lái)源、有規(guī)律的來(lái)自外部與內(nèi)部的擾動(dòng)稱(chēng)為干擾;把系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的無(wú)規(guī)則的起伏擾動(dòng)稱(chēng)為噪聲。對(duì)于一個(gè)線性系統(tǒng),當(dāng)它工作在小信號(hào)狀態(tài)時(shí),它的許多性能指標(biāo)都與噪聲有關(guān),如功率信噪比、誤碼率以及解調(diào)時(shí)的最低可調(diào)門(mén)限等。

當(dāng)將信號(hào)放大時(shí),由于二極管和晶體管的非線性特性,會(huì)產(chǎn)生增益壓縮、交叉調(diào)制和互相調(diào)制等一系列非線性失真。這些非線性失真限制了放大器所能放大的最小信號(hào),因而使接收機(jī)的靈敏度有一極限值。對(duì)于大多數(shù)干擾而言,原則上可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)和正確調(diào)整予以削弱或消除;噪聲是一種隨機(jī)信號(hào),其頻譜很寬,干擾能量分布于整個(gè)無(wú)線電工作頻率范圍內(nèi),相對(duì)難于消除?？梢?jiàn),噪聲是影響接收機(jī)性能的主要因素。那么,對(duì)于要將微弱信號(hào)放大的小信號(hào)放大器來(lái)說(shuō),就要求其除了具有放大功能外,還要有一定的選頻濾波、降低噪聲的功能。

4.1噪聲來(lái)源和特性

通信發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的靈敏度通常會(huì)受到噪聲的限制。廣義上,噪聲的定義為:除了所希望的信號(hào)之外的一切信號(hào)。然而,該定義沒(méi)有區(qū)分人工噪聲(如50Hz電源線的交流噪聲)和來(lái)自于電路內(nèi)部的難于消除的噪聲。本章要討論的是后者。

對(duì)放大器而言,簡(jiǎn)單的級(jí)聯(lián)最終并不能使靈敏度有任何進(jìn)一步的改善,這是因?yàn)樵肼暸c信號(hào)一起被放大了。在音頻系統(tǒng)中,噪聲表現(xiàn)為連續(xù)的“嘶嘶”聲,而在視頻系統(tǒng)中噪聲本身顯示為模擬電視系統(tǒng)中特有的“雪花”效應(yīng)。

4.1.1噪聲來(lái)源

產(chǎn)生噪聲的物理機(jī)理有很多,最常見(jiàn)的是熱噪聲,也稱(chēng)為約翰遜噪聲或奈奎斯特噪聲。這可以通過(guò)簡(jiǎn)單測(cè)量一個(gè)開(kāi)路電阻上的電壓來(lái)說(shuō)明。如圖4.1.1所示,測(cè)得的電壓u(t)并不為零。也就是說(shuō),它的平均電壓為零,但瞬時(shí)電壓不為零。在溫度高于絕對(duì)零度的情況下,電子的布朗運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)的瞬時(shí)電流,這些電流會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)的瞬時(shí)電壓,從而產(chǎn)生噪聲功率。圖4.1.1開(kāi)路電阻上的電壓

電子管、半導(dǎo)體二極管、晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管中噪聲的產(chǎn)生機(jī)理各不相同。例如,對(duì)于電子管,這些機(jī)理包括陰極電子發(fā)射的隨機(jī)次數(shù)(又稱(chēng)為散粒噪聲)、真空中的隨機(jī)電子速率、陰極表面的非均勻發(fā)射和陽(yáng)極的二次發(fā)射。類(lèi)似地,對(duì)于二極管,電子和空穴的隨機(jī)發(fā)射產(chǎn)生噪聲。在晶體管中,還存在著分配噪聲,也就是離開(kāi)發(fā)射極的載流子在基極和集電極間所產(chǎn)生的波動(dòng)。另外,還存在1/f噪聲(其中f表示頻率),或稱(chēng)為閃爍噪聲,這是由處于基極發(fā)射極PN結(jié)的基極少數(shù)載流子的表面復(fù)合而引起的。

很明顯,當(dāng)頻率接近直流時(shí),閃爍噪聲將急劇增加。在場(chǎng)效應(yīng)管中,存在由溝道電阻產(chǎn)生的熱噪聲、1/f噪聲和耦合到柵極的溝道噪聲,它們也會(huì)被晶體管的增益所放大。在齊納二極管和碰撞雪崩渡越時(shí)間二極管等器件中,發(fā)生電子雪崩時(shí)的反向擊穿也會(huì)產(chǎn)生噪聲。

總之,產(chǎn)生噪聲的機(jī)理是很多的。然而,當(dāng)系統(tǒng)工作在射頻條件下時(shí),兩個(gè)最常見(jiàn)的噪聲源是熱噪聲和散粒噪聲。

4.1.2噪聲特性

在討論噪聲的特性時(shí),以電阻的熱噪聲為例,下面的三個(gè)指標(biāo)是最主要的。

(1)頻譜。由于電阻中電子的布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生隨機(jī)的瞬時(shí)小電流脈沖的持續(xù)時(shí)間極短,因此它的頻譜可以說(shuō)在整個(gè)無(wú)線電頻段上是趨于無(wú)窮大的。

(2)功率譜密度。由于電流脈沖的隨機(jī)性,其大小方向均不確定,不能用它們的電流譜密度疊加,因此引入功率譜密度S(f)的概念。功率譜密度S(f)表示單位頻帶內(nèi)的功率,單位是dBm/Hz(0dBm表示1mW功率)。引入了功率譜,就可以避免疊加相位的不確定性。

(3)等效噪聲帶寬。在功率譜密度為Si(f)的噪聲通過(guò)電壓傳遞函數(shù)H(f)的線性時(shí)不變系統(tǒng)后,輸出噪聲功率譜密度So(f)=Si(f)|H(f)|2,其中|H(f)|2是系統(tǒng)的功率傳遞函數(shù)。當(dāng)白噪聲通過(guò)線性系統(tǒng)后,輸出噪聲均方值電壓(或電流)可表示為

它是輸入功率譜密度Si(f)乘以功率傳輸函數(shù)在整個(gè)頻段內(nèi)的積分值。

通常將稱(chēng)為線性系統(tǒng)的等效噪聲帶寬,如圖4.1.2所示,它是高度為H2(f0)(系統(tǒng)在中心頻率點(diǎn)f0的功率傳輸系統(tǒng)),寬度為BL的矩形。白噪聲通過(guò)線性系統(tǒng)后的總噪聲功率等于輸入噪聲功率譜密度Si(f)與H2(f0)之積再乘以系統(tǒng)的等效噪聲帶寬BL。因此,系統(tǒng)的等效噪聲帶寬越大,輸出噪聲越大。圖4.1.2白噪聲通過(guò)線性系統(tǒng)及等效噪聲寬度

4.2電路中元器件的噪聲

電子電路中的器件主要有電阻、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及電容和電感等電抗元件。本節(jié)將分析這些元件的噪聲大小及噪聲等效電路。

4.2.1電阻的熱噪聲及等效電路圖4.2.1電阻的熱噪聲及等效電路圖4.2.2有噪電阻的串/并聯(lián)

4.2.2晶體管的噪聲

1.電阻熱噪聲

在晶體管中,載流子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生熱噪聲,其主要來(lái)源是基區(qū)體電阻rbb'。相比之下,發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的熱噪聲很小,一般可以忽略不計(jì)。

2.散粒噪聲

晶體管外加偏壓時(shí),由于載流子穿過(guò)PN結(jié)的速度不同,使得單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)PN結(jié)的載流子數(shù)不同,從而引起PN結(jié)上的電流在某一平均值上有一微小的起伏。這種電流隨機(jī)起伏所產(chǎn)生的噪聲稱(chēng)為散粒噪聲。理論和實(shí)踐證明,散粒噪聲與流過(guò)PN結(jié)的直流電流成正比。對(duì)于正向偏置的發(fā)射結(jié),其散粒噪聲的電流均方值:

式中,q是電子的電荷量(q=1.6×10-19C),IEQ是發(fā)射極的靜態(tài)工作電流,Bn為等效噪聲帶寬。由于晶體管的集電結(jié)通常加反向電壓,反向飽和電流要比發(fā)射極正向電流小很多,因此集電極反向飽和電流引起的散粒噪聲可忽略不計(jì)。

式(4.2.1)表明,晶體管的散粒噪聲是白噪聲。

3.分配噪聲

在晶體管基區(qū),由于非平衡少數(shù)載流子的復(fù)合具有隨機(jī)性,時(shí)多時(shí)少,起伏不定,使得集電極電流與基極電流的分配比例隨機(jī)變化,從而引起集電極電流有微小變化。這種因分配比例隨機(jī)變化而產(chǎn)生的噪聲稱(chēng)為分配噪聲。集電極電流中分配噪聲的電流均方值:

4.1/f噪聲

1/f噪聲又稱(chēng)閃爍噪聲或低頻噪聲,其特點(diǎn)是它的功率譜密度與工作頻率近似成正比關(guān)系,所以它不是白噪聲。1/f噪聲的產(chǎn)生機(jī)理比較復(fù)雜,主要與半導(dǎo)體材料及其表面特性有關(guān)。由于1/f噪聲在幾千赫茲以下時(shí)比較顯著,因此它主要影響晶體管的低頻工作區(qū)。

在電子線路的噪聲分析中,通常采用晶體管噪聲等效電路。不同組態(tài)的晶體管有不同的噪聲等效電路。當(dāng)晶體管工作在高頻范圍時(shí),其共基極組態(tài)的T型噪聲等效電路如圖4.2.3所示。圖中,U2bn為基區(qū)體電阻rbb'的熱噪聲,即U2bn=4kTrbb'Bn;I2en為發(fā)射結(jié)散粒噪聲,見(jiàn)式(4.2.1);I2cn為集電極的分配噪聲,見(jiàn)式(4.2.2)。因?yàn)榫w管工作在高頻,所以等效電路中忽略了1/f噪聲。需要指出的是,噪聲等效電路中的re和rb'c都是模擬出來(lái)的電阻,即分別模擬發(fā)射結(jié)和集電結(jié)上電壓對(duì)電流的控制作用,因此它們都沒(méi)有噪聲。

理論分析表明,由于I2cn和I2en都與基區(qū)非平衡少子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)有關(guān),因而它們是相關(guān)的,但又因兩者的相關(guān)性很弱,故在近似分析時(shí)可以認(rèn)為I2cn和I2en是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。

4.2.3場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲

場(chǎng)效應(yīng)管漏、源之間的溝道電阻會(huì)產(chǎn)生熱噪聲。與一般電阻器不同,由于溝道電阻受到柵源電壓的控制,因而它不是一個(gè)恒定電阻。若gm表示場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移跨導(dǎo),則溝道熱噪聲的電流均方值:

場(chǎng)效應(yīng)管也存在1/f噪聲,反映在漏極端的噪聲的電流均方值:

式中,η是與管子有關(guān)的系數(shù);ID是靜態(tài)工作電流;f表示頻率。

在場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲等效電路中,將溝道熱噪聲和1/f噪聲合并在一起,可用一個(gè)接在漏、源之間的噪聲電流源I2Dn來(lái)等效,如圖4.2.4所示。由于I2Dn和I2nf互不相關(guān),所以:

場(chǎng)效應(yīng)管中的噪聲源是柵極漏極電流IG

產(chǎn)生的散粒噪聲,在圖4.2.4中用I2Gn表示,其計(jì)算式為

由于場(chǎng)效應(yīng)管靠多數(shù)載流子導(dǎo)電,所以不存在分配噪聲。圖4.2.4場(chǎng)效應(yīng)管噪聲等效電路

在以上噪聲中,溝道熱噪聲的影響最大。在高頻工作時(shí),1/f噪聲可以忽略不計(jì)。對(duì)于MOS場(chǎng)效應(yīng)管,因柵極漏極電流很小,所以I2Gn

極小,只有當(dāng)信號(hào)源內(nèi)阻很大時(shí)才考慮其影響。

4.3功率信噪比和噪聲系數(shù)

4.3.1功率信噪比對(duì)噪聲的研究是以如何減小其對(duì)信號(hào)的影響為目的的。因此,離開(kāi)信號(hào)談噪聲是沒(méi)有意義的。從噪聲對(duì)信號(hào)的影響效果看,不在于噪聲電平絕對(duì)值的大小,而在于信號(hào)功率與噪聲功率的相對(duì)值。通常,將信號(hào)功率與噪聲功率之比定義為功率信噪比,記為S/N,指在指定頻帶內(nèi),同一端口信號(hào)功率Ps和噪聲功率Pn

的比值,表示為Ps/P

。

功率信噪比是衡量一個(gè)信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的指標(biāo)。如果噪聲功率和有用信號(hào)的輸出功率在同一個(gè)數(shù)量級(jí),甚至比信號(hào)功率還大,則此時(shí)信號(hào)將會(huì)被淹沒(méi)在噪聲之中,導(dǎo)致接收機(jī)很難恢復(fù)出有用信號(hào)。

功率信噪比越大,說(shuō)明信號(hào)質(zhì)量越好。功率信噪比的最小允許值取決于具體應(yīng)用設(shè)備的要求。例如,調(diào)幅收音機(jī)檢波器輸入端為10dB,調(diào)頻收音機(jī)鑒頻器輸入端為12dB,電視接收機(jī)檢波器輸入端為40dB。當(dāng)信號(hào)通過(guò)放大器時(shí),會(huì)附加上電路中元器件的噪聲,因此放大器輸出端的功率信噪比總是小于輸入端。

4.3.2噪聲系數(shù)

功率信噪比雖然反映了信號(hào)質(zhì)量的好壞,卻不能反映放大器或網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響,也不能表示放大器本身噪聲性能的好壞。當(dāng)信號(hào)通過(guò)無(wú)噪聲的理想線性電路時(shí),其輸出的功率信噪比與輸入的相等。若電路中含有有噪元件,則由于信號(hào)通過(guò)時(shí)附加了電路的噪聲功率,因此輸出的功率信噪比小于輸入的功率信噪比,使輸出信號(hào)的質(zhì)量變壞。由此可見(jiàn),輸出功率信噪比相對(duì)于輸入功率信噪比的變化可以確切地反映電路在傳輸信號(hào)時(shí)的噪聲性能。噪聲系數(shù)這一指標(biāo)正在從這一角度引出的。

1.噪聲系數(shù)的定義

線性電路的噪聲系數(shù)NF的定義為:在標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源激勵(lì)下輸入端的功率信噪比Psi/Pni與輸出端的功率信噪比Pso/Pno的比值,即

上述定義中,標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源是指輸入端僅接有信號(hào)源及其內(nèi)阻Rs,并規(guī)定該內(nèi)阻Rs

在溫度T=290K時(shí)所產(chǎn)生的熱噪聲為輸入端的噪聲源。

噪聲系數(shù)通常也用dB表示,即

對(duì)于無(wú)噪聲的理想電路,NF=0dB;對(duì)于有噪聲的電路,其dB值為一正數(shù)。

式(4.3.1)還可以表示為以下形式:

式中,KF=Pso/Psi為功率增益。式(4.3.3)說(shuō)明,噪聲系數(shù)等于輸出端的噪聲功率與輸入噪聲在輸出端產(chǎn)生的噪聲功率(KFPni)的比值,而與輸入信號(hào)的大小無(wú)關(guān)。事實(shí)上,電路輸出端的噪聲功率包括兩部分,即KFPni和電路內(nèi)部噪聲在輸出端產(chǎn)生的噪聲功率PΔn。因此,噪聲系數(shù)也可以表示為

式(4.3.1)、式(4.3.3)和式(4.3.4)是噪聲系數(shù)的三種相互等效的表示式。在計(jì)算噪聲系數(shù)時(shí),可以根據(jù)具體情況,采用相應(yīng)的公式。

應(yīng)該指出的是,噪聲系數(shù)只適用于線性電路。由于非線性電路輸出端的功率信噪比會(huì)隨輸入端信號(hào)和噪聲的大小而變化,因此不能反映電路本身附加噪聲的性能。也就是說(shuō),噪聲系數(shù)對(duì)非線性電路不適用。

2.額定功率、額定功率增益與噪聲系數(shù)

在線性電路的輸入端,由于信號(hào)源電壓與其內(nèi)阻Rs

產(chǎn)生的熱噪聲電壓源相串聯(lián),如圖4.3.1所示,因此電路輸入端的功率信噪比與電路的輸入阻抗大小無(wú)關(guān)。同理,輸出端的功率信噪比也與負(fù)載電阻RL無(wú)關(guān)。但是,如果實(shí)際電路的輸入、輸出端分別是匹配的(即Ri=Rs,Ro=RL),這時(shí)利用額定功率和額定功率增益來(lái)計(jì)算或測(cè)量噪聲系數(shù)往往比較簡(jiǎn)單。

額定功率(資用功率)是指信號(hào)源或噪聲源所能輸出的最大功率。在圖4.3.1所示的電路中,當(dāng)滿足Ri=Rs

時(shí),信號(hào)源最大輸出功率(即信號(hào)額定功率Psim)為

與此同時(shí),輸入噪聲額定功率Pnim為

同理,當(dāng)電路的輸出電阻與負(fù)載匹配(Ro=RL)時(shí),可得輸出端的信號(hào)額定功率Psom和噪聲額定功率Pnom。

額定功率增益是指電路的輸入端和輸出端分別匹配時(shí)信號(hào)傳輸?shù)墓β试鲆?。在圖4.3.1所示的電路中,當(dāng)Ri=Rs,Ro=RL

時(shí),其額定功率增益為

電路的實(shí)際功率增益并不一定等于該額定值。當(dāng)輸入或輸出端失配時(shí),實(shí)際功率增益將小于額定功率。

利用額定功率和額定功率增益參數(shù),噪聲系數(shù)可表示為

將式(4.3.6)代入式(4.3.7),可得:

式中,PΔnm

為輸出端匹配時(shí)電路內(nèi)部噪聲在輸出端產(chǎn)生的噪聲功率。圖4.3.1說(shuō)明額定功率和額定功率增益的示意圖

3.等效噪聲溫度

對(duì)于任何一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò),如果它產(chǎn)生的噪聲是白噪聲,則可以用處于網(wǎng)絡(luò)輸入端、溫度為T(mén)e

的電阻所產(chǎn)生的熱噪聲源來(lái)替代,從而把網(wǎng)絡(luò)看做是無(wú)噪的。通常稱(chēng)Te

為該線性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的等效噪聲溫度,見(jiàn)圖4.3.2所示。圖4.3.2有噪網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度

如圖4.3.2所示,網(wǎng)絡(luò)輸入端的源內(nèi)阻為Rs,與輸入阻抗匹配。該網(wǎng)絡(luò)的功率增益為GP,帶寬為B,由網(wǎng)絡(luò)本身產(chǎn)生的輸出噪聲功率為Pn。由于溫度為T(mén)e

的電阻的額定功率是kTeB,此熱噪聲功率經(jīng)網(wǎng)絡(luò)放大傳輸后為Pn,顯然,Pn=kTeBGP。因此,等效噪聲溫度與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系為

由上式可看出,等效噪聲溫度與引用的電阻阻值無(wú)關(guān)。所以,引入噪聲溫度來(lái)描述系統(tǒng)噪聲的好處在于:在把系統(tǒng)噪聲看做信號(hào)源內(nèi)阻處于溫度Te所產(chǎn)生的熱噪聲功率kTeB的同時(shí),還可以把由天線引入的外部噪聲也看做是由信號(hào)源內(nèi)阻處于某一溫度Ta

所產(chǎn)生的熱噪聲功率kTaB,從而外部和內(nèi)部噪聲功率的疊加也就是等效噪聲溫度的相加。

4.等效噪聲溫度與噪聲系數(shù)的關(guān)系

等效噪聲溫度和噪聲系數(shù)是用來(lái)描述同一個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲特性的兩種不同的方法,接下來(lái)我們探討它們之間的關(guān)系。

圖4.3.3所示的信號(hào)源與網(wǎng)絡(luò)匹配中,有噪放大器的參數(shù)是:帶寬B、功率增益GP及等效噪聲溫度Te。設(shè)輸入放大器的信號(hào)功率和噪聲功率分別是Psi和Pni。Pni是由信號(hào)源內(nèi)阻Rs

處于標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度T0

所產(chǎn)生的熱噪聲,因此Pni=kT0B。根據(jù)等效噪聲溫度的定義,有噪放大器的噪聲可以折合到放大器的輸入端,看做由信號(hào)源內(nèi)阻處于溫度Te時(shí)產(chǎn)生的熱噪聲,而把放大器視為無(wú)噪的。

經(jīng)放大器傳輸后,設(shè)輸出信號(hào)功率分別為Pso和Pno,則有:

根據(jù)噪聲系數(shù)的定義,可得:

由上式可知,對(duì)于一個(gè)無(wú)噪系統(tǒng),由于NF=1,即噪聲系數(shù)系數(shù)為0dB,因此它的等效噪聲溫度也為零。在應(yīng)用時(shí),對(duì)放大器和混頻器,常用噪聲系數(shù)來(lái)描述;對(duì)天線和接收機(jī),常用等效噪聲溫度來(lái)描述。圖4.3.3網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)與其等效噪聲溫度的關(guān)系

4.4射頻小信號(hào)放大器

在無(wú)線通信系統(tǒng)中,到達(dá)接收機(jī)的射頻信號(hào)電平多在微伏數(shù)量級(jí),因此就需要用射頻小信號(hào)放大器對(duì)這些微弱的射頻信號(hào)進(jìn)行放大?？梢?jiàn),射頻小信號(hào)放大器是無(wú)線通信接收機(jī)的重要組成部分。在多數(shù)情況下,信號(hào)不是單一頻率的,而是占有一定頻譜寬度的頻帶信號(hào)。另外,在同一通道中,可能同時(shí)存在許多偏離有用信號(hào)頻率的各種干擾信號(hào),因此射頻小信號(hào)放大器除了要有放大功能外,還必須具有選頻功能。

4.4.1射頻小信號(hào)放大器的分類(lèi)與組成

根據(jù)頻帶寬度,可將射頻小信號(hào)放大器分為窄頻帶放大電路和寬頻帶放大電路兩大類(lèi)。

窄頻帶放大電路要求對(duì)中心頻率在幾十兆赫茲到幾百兆赫茲(甚至是幾吉赫茲),并且?guī)捲趲装偾Ш掌澋綆资缀掌潈?nèi)的微弱信號(hào)進(jìn)行不失真放大,所以要求該電路不僅有一定的電壓增益,而且要有選頻能力。窄頻帶放大電路由晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管等有源器件提供電壓增益,由LC諧振回路、陶瓷濾波器或聲表面濾波器等器件實(shí)現(xiàn)選頻功能。

寬頻帶放大電路要求對(duì)帶寬在幾千赫茲到幾百兆赫茲(甚至是幾吉赫茲)內(nèi)的微弱信號(hào)進(jìn)行不失真放大,因此要求其具有很低的下限截止頻率(有時(shí)甚至要求到零頻)和很高的上限截止頻率。寬頻帶放大電路也是由晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管等有源器件提供電壓增益。為了展寬工作頻帶,不但要求有源器件具有好的高頻特性,而且在電路結(jié)構(gòu)上也會(huì)采取一些改進(jìn)措施,以達(dá)到寬帶放大的要求。

總之,射頻小信號(hào)放大器應(yīng)由兩部分組成:有源放大器件和無(wú)源選頻網(wǎng)絡(luò),如圖4.4.1所示。

有源放大器件和無(wú)源選頻網(wǎng)絡(luò)選用不同的電路,就可以組成不同形式的放大器。例如,按選頻網(wǎng)絡(luò)中的諧振回路,可分為單調(diào)諧放大器、雙調(diào)諧放大器和參差調(diào)諧放大器;按晶體管的連接方式,可分為共基極、共集電極、共發(fā)射極調(diào)諧放大器等。圖4.4.1射頻小信號(hào)放大器模型

4.4.2射頻小信號(hào)放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

對(duì)于射頻小信號(hào)放大器,要求具有低的噪聲系數(shù),足夠的線性范圍,合適的增益,輸入、輸出阻抗匹配,輸入、輸出之間有良好的隔離等。在移動(dòng)通信設(shè)備中,還要求具有低的工作電源電壓和低的功率消耗。特別要強(qiáng)調(diào)的是,所有這些指標(biāo)都是互相聯(lián)系的,有時(shí)甚至是矛盾的,所以在設(shè)計(jì)中就要采用折中的原則,兼顧各項(xiàng)指標(biāo)。

1.增益

增益表示放大器對(duì)輸入有用信號(hào)的放大能力,定義為放大器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的比值。對(duì)于射頻小信號(hào)選頻放大器而言,通常用中心頻率f0上的電壓增益Au

和功率增益AP來(lái)表示,即

式中,uo、ui

分別為放大器中心頻率上輸出、輸入信號(hào)的電壓有效值;Po、Pi

分別為放大器中心頻率上的輸出、輸入功率。增益也通常用分貝來(lái)表示。

需要強(qiáng)調(diào)的是,射頻小信號(hào)放大器的增益要適中,過(guò)大會(huì)使下級(jí)混頻器的輸入太大,產(chǎn)生失真;過(guò)小則不利于抑制后面各級(jí)的噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響。一般要求放大器的增益是可以控制的,即通過(guò)改變放大器的工作點(diǎn)、負(fù)反饋量、諧振回路的Q值等參數(shù)來(lái)控制電路的增益,通常采用自動(dòng)增益控制電路(將在第九章介紹)實(shí)現(xiàn)。

2.通頻帶

通頻帶定義為放大器在中心頻率的增益下降3dB時(shí)的上限截止頻率與下限截止頻率之差,通常以BW0.707表示,如圖4.4.2所示。

選擇合適的通頻帶就是為了保證輸入頻帶信號(hào)無(wú)失真地通過(guò)放大器,這就要求其增益頻率響應(yīng)特性必須有與信號(hào)帶寬相適應(yīng)的平坦寬度。圖4.4.2選頻放大器的幅頻特性

3.選擇性

選擇性是指放大器對(duì)通頻帶以外的干擾信號(hào)的濾除能力或衰減抑制能力。選擇性有兩種描述方法:

一是用來(lái)表明對(duì)鄰近信道選擇性好壞的矩形系數(shù);

二是用來(lái)表明對(duì)帶外某一特定干擾頻率fN的信號(hào)的抑制能力大小的抑制比。

矩形系數(shù)用K0.1來(lái)表示,其定義為

式中,BW0.1是增益下降到最大值的0.1倍時(shí)的頻帶寬度。BW0.1與BW0.707之間的頻率范圍稱(chēng)為過(guò)渡帶。K0.1間接反映了過(guò)渡帶與通頻帶的頻寬比。K0.1越小,過(guò)渡帶越窄,選擇性越好。理想時(shí)K0.1等于1,實(shí)際中K0.1總是大于1。

抑制比用α表示,其定義為

式中,AP(f0)是中心頻率f0上的功率增益;AP(fN

)是某一特定干擾頻率fN上的功率增益。抑制比也可用分貝表示為

4.線性范圍

線性范圍是指輸出信號(hào)幅度輸入信號(hào)幅度關(guān)系曲線呈線性的范圍,通常用1dB壓縮點(diǎn)和三階互調(diào)截點(diǎn)(IP3,ThirdorderIntercePoint)來(lái)度量。在射頻小信號(hào)放大器中,器件的跨p導(dǎo)t隨輸入信號(hào)幅度的增加而減少,該現(xiàn)象稱(chēng)為增益壓縮。對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)幅值Uim

,增益比線性放大增益下降1dB的那一點(diǎn)就稱(chēng)為1dB壓縮點(diǎn),如圖4.4.3所示,它常用來(lái)衡量放大器的線性特性。圖4.4.3放大器的1dB壓縮點(diǎn)

輸出有效功率Po

與輸入功率Pi

成正比,而三階互調(diào)輸出功率與輸入功率Pi的三次方呈正比。如圖4.4.4(a)所示,它們的相交點(diǎn)即為三階互調(diào)截點(diǎn)IP3,用對(duì)數(shù)坐標(biāo)方程可表示為

式中,GP1是放大器的功率增益,GP3為放大器的三階互調(diào)功率增益,Po1是基波功率,Po3是三階互調(diào)功率。顯然,在以對(duì)數(shù)形式表示的坐標(biāo)上,它們是兩條直線,如圖4.4.4(b)所示,圖中分別標(biāo)出了IIP3和OIP3的位置。

圖4.4.4三階互調(diào)截點(diǎn)IP3示意圖

在討論射頻小信號(hào)放大器的線性范圍時(shí)要注意三個(gè)問(wèn)題:

一是線性范圍與有源器件有關(guān),例如場(chǎng)效應(yīng)管是平方律特性,因此它的線性要比晶體管好;

二是與電路結(jié)構(gòu)有關(guān),例如加負(fù)反饋、使用差分放大的形式等均能改善線性范圍;

三是輸入端的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的選擇也會(huì)影響線性范圍。

5.隔離度和穩(wěn)定性

對(duì)于射頻小信號(hào)放大器而言,其隔離度主要是指防止本振信號(hào)從混頻器向天線的泄漏程度,又稱(chēng)反向隔離度。一般來(lái)說(shuō),只要放大器的反向隔離度好,就可減少輸出負(fù)載變化對(duì)輸入阻抗的影響,簡(jiǎn)化其輸入、輸出端匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試過(guò)程。

當(dāng)放大器的工作狀態(tài)、交流參數(shù)以及其他電路元件參數(shù)發(fā)生變化時(shí),放大器的主要性能也會(huì)發(fā)生變化,造成不穩(wěn)定現(xiàn)象,表現(xiàn)為增益變化,中心頻率偏移,通頻帶變窄,諧振曲線變形等。不穩(wěn)定狀態(tài)的極端情況是放大器自激振蕩,導(dǎo)致放大器完全不能工作。

一般來(lái)說(shuō),可以采取穩(wěn)定工作點(diǎn)、限制增益、選擇反饋小的器件等方法來(lái)解決穩(wěn)定性問(wèn)題。寄生反饋是引起不穩(wěn)定的主要原因,必須盡力找出寄生反饋的途徑,力圖消除一切可能產(chǎn)生反饋的因素。

6.噪聲系數(shù)

射頻小信號(hào)放大器的輸出噪聲來(lái)源于其輸入端和電路本身。噪聲系數(shù)是用來(lái)描述放大器本身產(chǎn)生的噪聲電平大小的一個(gè)參數(shù)。為減少放大電路的內(nèi)部噪聲,在設(shè)計(jì)與制作放大器時(shí),應(yīng)采用低噪聲放大元器件,合適地選擇工作狀態(tài)和電路結(jié)構(gòu),使放大器在盡可能高的功率增益下其噪聲系數(shù)最小。

以上指標(biāo)要求相互間既有聯(lián)系又有矛盾,比如提高增益會(huì)引起通頻帶變窄,穩(wěn)定性降低。因此,實(shí)際中應(yīng)根據(jù)具體情況分清主次、綜合考慮,使放大器的總體性能指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求。

4.5射頻小信號(hào)調(diào)諧放大器

調(diào)諧放大器的主要特點(diǎn)是晶體管集電極負(fù)載不是純電阻,而是由LC組成的諧振電路。當(dāng)諧振回路的自由振蕩頻率f0

與放大器輸入信號(hào)頻率相等時(shí),放大器處于諧振工作狀態(tài),諧振回路呈現(xiàn)純阻性,放大器具有最高增益。當(dāng)輸入信號(hào)頻率高于或低于f0時(shí),放大器均失諧,增益下降。從電路形式上看,調(diào)諧放大器可分為單調(diào)諧放大器、雙調(diào)諧放大器和參差調(diào)諧放大器。單調(diào)諧放大器的選擇性不太好,但電路簡(jiǎn)單,調(diào)試方便。

4.5.1單級(jí)單調(diào)諧放大器

單級(jí)單調(diào)諧放大器的有源放大器件可使用晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管或射頻集成電路;其無(wú)源選頻網(wǎng)絡(luò)是LC并聯(lián)諧振回路。一個(gè)共發(fā)射極的晶體管單調(diào)諧放大器如圖4.5.1所示。圖中,RB1、RB2、RE是工作點(diǎn)偏置電阻;CB為耦合電容;CE為旁路電容;電感L的初級(jí)線圈AB端為N1,AC端為N2,次級(jí)線圈為N3;電感L與電容C構(gòu)成LC諧振電路,作為放大器的集電極負(fù)載,起選頻作用,它采用抽頭接入法,以減輕晶體管輸出電阻對(duì)諧振電路Q(chēng)值的影響;RL

是放大器的負(fù)載,它可能是下一級(jí)電路輸入端的等效輸入電阻。圖4.5.1晶體管單調(diào)諧放大器

輸入信號(hào)ui

產(chǎn)生晶體管的基極輸入電流Ib,通過(guò)晶體管放大,得到集電極電流βIb

(相當(dāng)于一個(gè)恒流源),可認(rèn)為該恒流源直接加到LC并聯(lián)諧振回路上。等效電路如圖4.5.2(a)所示。圖4.5.2晶體管單調(diào)諧放大器集電極回路的等效電路

圖中,rce為晶體管ce極間輸出電阻?？紤]到rce和RL的影響后,LC諧振回路就可以等效為一個(gè)RLC并聯(lián)諧振回路,如圖4.5.2(b)所示。令RLC諧振回路的并聯(lián)阻抗為ZAC,那么實(shí)際的集電極負(fù)載為變換到AB端的阻抗ZAB,它們的關(guān)系為

諧振電路的頻率特性決定單級(jí)單調(diào)諧放大器的選頻性能,其有載品質(zhì)因數(shù)QL的值對(duì)放大器的選頻性能有很大影響。當(dāng)ω0L一定而QL值不同時(shí),QL越大,則A0

越大且幅頻曲線較尖銳;QL

越小,則A0

越小且幅頻曲線較平坦,如圖4.5.3(a)所示。

用A/A0

作為縱坐標(biāo),得到的放大器頻率特性曲線如圖4.5.3(b)所示。圖中,A/A0=1點(diǎn)(若用分貝表示則為0dB)代表諧振點(diǎn),A/A0=0.707點(diǎn)(若用分貝表示則為-3dB)相當(dāng)于通頻帶的上下截止頻率。從圖中可以看出,QL越小,通頻帶BW越寬;QL越大,BW越窄。如果以某一頻偏Δf為參考標(biāo)準(zhǔn),則QL大,衰減量就大,即選擇性好,QL小,衰減量就小,即選擇性差。圖4.5.3調(diào)諧放大器頻率特性曲線的兩種表示方法

4.5.2調(diào)諧放大器的級(jí)聯(lián)

在接收機(jī)中,當(dāng)一級(jí)單調(diào)諧放大電路的選頻性能和增益不能滿足要求時(shí),可以采用兩級(jí)和多級(jí)單調(diào)諧放大器級(jí)聯(lián)的方法,形成多級(jí)級(jí)聯(lián)電路。級(jí)聯(lián)后,放大器的增益、通頻帶和選擇性都將發(fā)生變化。多級(jí)調(diào)諧放大器級(jí)聯(lián)示意圖如圖4.5.4所示。圖4.5.4多級(jí)調(diào)諧放大器級(jí)聯(lián)示意圖

多級(jí)調(diào)諧放大器可調(diào)諧于同一頻率或不同頻率。通常將調(diào)諧于不同頻率的級(jí)聯(lián)方式叫做參差調(diào)諧。

多級(jí)調(diào)諧放大器的分析可采用單級(jí)單調(diào)諧放大器的分析方法分析每一級(jí)的特性,然后利用級(jí)聯(lián)的方法研究其多級(jí)總特性。

一般來(lái)說(shuō),單調(diào)諧放大器的選擇性較差,增益和通頻帶的矛盾比較突出。為了改善選擇性和解決這個(gè)矛盾,可采用雙調(diào)諧放大器和參差調(diào)諧放大器。對(duì)于這兩類(lèi)放大器,本書(shū)不作詳細(xì)論述,讀者可以參閱相關(guān)資料和文獻(xiàn)。

4.6S參數(shù)與放大器設(shè)計(jì)

S參數(shù)又稱(chēng)為散射參數(shù),它最早應(yīng)用于傳輸線理論,但在實(shí)際工程中,它是一組與功率相關(guān)的參數(shù)。S參數(shù)用來(lái)描述事物分散成不同分量的大小及其分散的程度。它可以電壓與電流為參數(shù),以其入射和反射的概念來(lái)表示。S參數(shù)對(duì)于射頻電路設(shè)計(jì)和各種匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)甚為有用,尤其對(duì)于用于射頻的有源器件在不同頻率或偏壓下的復(fù)雜狀態(tài),都可以由S參數(shù)加以定性。在放大器設(shè)計(jì)上,可以應(yīng)用S參數(shù)簡(jiǎn)單方便地計(jì)算其增益、反饋損耗及工作穩(wěn)定性等。

4.6.1S參數(shù)的定義

一組S參數(shù)有四個(gè)單元,分別為S21、S12、S11和S22。其中,下標(biāo)1代表輸入端口,下標(biāo)2代表輸出端口。S21稱(chēng)為順向傳輸系數(shù),代表輸出對(duì)輸入的增益;S12稱(chēng)為逆向傳輸系數(shù),代表輸出端到輸入端的逆向增益;S11和S22分別稱(chēng)為輸入反射系數(shù)和輸出反射系數(shù),體現(xiàn)輸入端和輸出端的反饋損耗。

小信號(hào)晶體管的S參數(shù)可隨其偏壓來(lái)設(shè)定,例如由共射極的靜態(tài)工作點(diǎn)Q(UCE,IC)及信號(hào)頻率而定。通常S參數(shù)都是網(wǎng)絡(luò)上相關(guān)電壓之間的比值,但為了方便,可用一個(gè)共同的阻抗(一般取50Ω)作為參考基準(zhǔn)。一個(gè)完整的S參數(shù)是以向量表示的,其中包括大小與相位。如圖4.6.1所示,在一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)的兩端口上各接50Ω電阻時(shí),若將S參數(shù)視為端口輸入電壓與輸出電壓的比值,則任何元器件在射頻電路上的特性都可以準(zhǔn)確地測(cè)量得到。圖4.6.1雙端網(wǎng)絡(luò)的傳輸與反射

4.6.2S參數(shù)的測(cè)量

圖4.6.2所示為對(duì)一個(gè)小信號(hào)放大器的晶體管的S參數(shù)的測(cè)量裝置圖。圖4.6.2測(cè)試一晶體管的S參數(shù)的原理示意圖

4.6.3放大器的S參數(shù)

用S參數(shù)設(shè)計(jì)放大器時(shí),可將晶體管等有源器件看做一個(gè)“黑箱”,只知道其端口參數(shù),然后從系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的角度出發(fā)來(lái)設(shè)計(jì)放大器。通過(guò)S參數(shù),可計(jì)算放大器的功率增益、反饋損耗、輸入或輸出阻抗以及在工作時(shí)產(chǎn)生振蕩的可能性等。同時(shí),也可借助S參數(shù)設(shè)計(jì)最佳的信號(hào)源阻抗或負(fù)載,作為放大器前后的共軛匹配,以提供最大的功率傳輸。此外,還可以用S參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)特定的信號(hào)源及負(fù)載阻抗,以獲得所需的功率增益或噪聲度。

1.S參數(shù)與功率增益

在小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)中,所謂功率增益,通常是指輸出功率對(duì)輸入功率的比值。但在實(shí)際的放大器中,常因測(cè)量功率時(shí)所取位置不同而有多種不同定義的功率增益。圖4.6.3所示為一個(gè)以雙端口網(wǎng)絡(luò)形式表示的放大器,輸入端接信號(hào)源及其內(nèi)阻,輸出端接負(fù)載。圖4.6.3放大器雙端口網(wǎng)絡(luò)上的功率

圖4.6.4所示為Γs、ΓL、ΓIN和ΓOUT在雙端口網(wǎng)絡(luò)上呈現(xiàn)的位置。圖4.6.4雙端網(wǎng)絡(luò)的輸入與輸出

2.S參數(shù)與穩(wěn)定性

在設(shè)計(jì)射頻放大器時(shí),一項(xiàng)必不可少的重要工作是評(píng)估振蕩傾向。S參數(shù)在這項(xiàng)工作中起到了重要作用。無(wú)條件穩(wěn)定性指有源器件在其輸入端和輸出端接上任何阻抗后均能穩(wěn)定工作。潛在性不穩(wěn)定指有源器件與某些阻抗組合時(shí),將會(huì)引發(fā)振蕩。穩(wěn)定性可利用由S參數(shù)導(dǎo)出的羅列特穩(wěn)定因數(shù)K來(lái)判定。

下面先定義一個(gè)參量:

那么,羅列特穩(wěn)定因數(shù)為

若K>1,則有源器件是無(wú)條件穩(wěn)定的,可與任何信號(hào)源阻抗或負(fù)載阻抗組合;反之,若K<1,則是潛在性不穩(wěn)定的,在與某些信號(hào)源阻抗或負(fù)載阻抗組合時(shí),將會(huì)有引發(fā)振蕩的可能。因而在K<1時(shí),信號(hào)源或負(fù)載的選擇必須加以注意。由于篇幅所限,本書(shū)只介紹K>1時(shí)放大器的設(shè)計(jì),有關(guān)K<1時(shí)放大器的詳細(xì)設(shè)計(jì),請(qǐng)參考相關(guān)文獻(xiàn)。

4.6.4用S參數(shù)設(shè)計(jì)放大器

本節(jié)以設(shè)計(jì)一個(gè)羅列特穩(wěn)定因數(shù)K>1時(shí)的并存共軛匹配放大器為例,說(shuō)明S參數(shù)在放大器設(shè)計(jì)中的作用。所謂并存共軛匹配,是指輸入端與輸出端的反射系數(shù)都為共軛匹配,這樣就可得到最大的功率輸出。圖4.6.5給出了一個(gè)并存共軛匹配放大器的設(shè)計(jì)框圖,其要求的條件為ΓIN=Γs*

和ΓOUT=ΓL*,即

由上式可知,有源器件的實(shí)際輸出阻抗與其對(duì)應(yīng)的信號(hào)源阻抗有關(guān)。同樣地,它的實(shí)際輸入阻抗與其對(duì)應(yīng)的負(fù)載有關(guān)。圖4.6.5并存共軛匹配放大器的原理框圖

Γs和ΓL

都是S參數(shù)的函數(shù),可描述此時(shí)所需的信號(hào)源阻抗與負(fù)載阻抗。設(shè)所需的反射系數(shù)分別為ΓMs和ΓML,經(jīng)計(jì)算得到結(jié)果后,可用以設(shè)計(jì)輸入端和輸出端的匹配網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計(jì)步驟如下:

(1)計(jì)算羅列特穩(wěn)定因數(shù)K,根據(jù)K是否大于1來(lái)判定有源器件是否為無(wú)條件穩(wěn)定的。

(2)設(shè)參量B1=1+|S11|2-|S22|2-|Δ|2。

(3)設(shè)參量C1=S11-Δ·S*22。

(4)計(jì)算輸入端信號(hào)源反射系數(shù):

(5)設(shè)參量B2=1+|S22|2-|S11|2-|Δ|2。

(6)設(shè)參量C2=S22-Δ·S*11。

(7)計(jì)算輸出端負(fù)載反射系數(shù):

式中,“±”的選擇視B2的正負(fù)而定,若B2大于零,則取“-”,否則取“+”。

(8)計(jì)算最大傳送功率增益:

或

(9)設(shè)計(jì)輸入端匹配網(wǎng)絡(luò)。在史密斯圖上繪出ΓMs,從史密斯圖中先找到ΓMs的頂點(diǎn),再找到Zs(50Ω)與輸入端的串聯(lián)容抗XS1串聯(lián)的軌跡,接下來(lái)找出Zs

與輸入端的并聯(lián)感抗XP1并聯(lián)的軌跡,再根據(jù)匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原則,由各軌跡及其交點(diǎn)求得所需的匹配網(wǎng)絡(luò)。

(10)設(shè)計(jì)輸出端匹配網(wǎng)絡(luò)。在史密斯圖上繪出ΓML,從史密斯圖中先找到ΓML的頂點(diǎn)B，再找出ZL(50Ω)與輸出端的串聯(lián)容抗XS2串聯(lián)的軌跡,接下來(lái)找出ZL與輸出端的并聯(lián)感抗XP2并聯(lián)的軌跡,再根據(jù)匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原則,由各軌跡及其交點(diǎn)求得所需的匹配網(wǎng)絡(luò)。

【例4.6.1】設(shè)計(jì)一工作于50Ω端點(diǎn)的放大器,已知所用晶體管的UCEQ

=10V,ICQ=10mA,工作頻率為200MHz時(shí)的S參數(shù)為:S11=0.40∠162°,S12=0.04∠60°,S21=5.20∠63°,S22=0.35∠-39°。要求獲得最大的功率增益。

解:放大器以并存共軛匹配設(shè)計(jì)。下面先求所需的ΓMs、ΓML和GTmax,再設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)?？蓪⑤斎?輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為L(zhǎng)型,則從雙端口網(wǎng)絡(luò)的角度出發(fā),應(yīng)得到如圖4.6.6所示的框圖。圖4.6.6輸入/輸出的L型匹配網(wǎng)絡(luò)

圖4.6.6中,XP1為輸入端的并聯(lián)感抗;XS1為輸入端的串聯(lián)容抗;XP2

為輸出端的并聯(lián)感抗;XS2為輸出端的串聯(lián)容抗。下面按步驟來(lái)設(shè)計(jì)該放大器。

(9)設(shè)計(jì)輸入端匹配網(wǎng)絡(luò)。將ΓMs=0.49∠157.9°畫(huà)在阻抗圓圖上,見(jiàn)圖4.6.7中的A點(diǎn),讀出A點(diǎn)的歸一化阻抗值Zs=rs+jXs。接下來(lái)的過(guò)程如下:圖4.6.7輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的圓圖設(shè)計(jì)

(10)設(shè)計(jì)輸出端匹配網(wǎng)絡(luò)。與輸入端匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法相同,可得到輸出端的并聯(lián)電感為L(zhǎng)L=49.7nH,串聯(lián)電容為CL=12.4pF。

最后,可畫(huà)出設(shè)計(jì)完成的放大器交流通路,如圖4.6.8所示。圖4.6.8設(shè)計(jì)完成的放大器

4.7寬頻帶小信號(hào)放大器

4.7.1寬頻帶放大器的特點(diǎn)當(dāng)射頻放大電路的相對(duì)帶寬小于10%時(shí),通常稱(chēng)為窄帶放大電路。射頻窄帶放大電路由于工作頻率帶寬較窄,因此可認(rèn)為有源器件的S參數(shù)不隨頻率變化,輸入與輸出匹配電路對(duì)品質(zhì)因數(shù)沒(méi)有太嚴(yán)格的要求。窄帶放大電路設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)是獲得盡可能高的功率增益。

寬頻帶放大器既要有較大的電壓及功率增益,又要有很寬的頻帶,所以常用增益和通頻帶的乘積作為衡量其性能的重要指標(biāo),稱(chēng)為增益帶寬積,可表示為G×BW或AufH。其中,fH為通頻帶的上限截止頻率,因?yàn)閷掝l帶放大器的下限截止頻率fL一般很低或?yàn)榱?所以常常忽略。增益帶寬積越大,放大器的性能就越好。

4.7.2寬頻帶放大器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

相對(duì)于窄帶射頻放大器而言,在設(shè)計(jì)寬帶射頻放大器時(shí),可采用的技術(shù)有組合電路技術(shù)、補(bǔ)償性匹配電路技術(shù)、負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和平衡放大技術(shù)。

1.組合電路技術(shù)

對(duì)于寬頻帶放大器而言,要求提高上限截止頻率,展寬通頻帶,一般在集成的寬頻帶放大器內(nèi)部廣泛采用共射共基組合電路。．

在共射共基組合電路中,上限截止頻率取決于共射電路上限頻率。利用共基電路輸入阻抗小的特點(diǎn),將其作為共射電路的負(fù)載,使共射電路的輸出電阻大大減小,進(jìn)而使密勒電容CM也大大減小,這樣就改善了高頻性能,從而有效地?cái)U(kuò)展了共射電路亦即整個(gè)組合電路的上限截止頻率。由于共射電路負(fù)載小,故而電路的電壓增益會(huì)減小,但這一點(diǎn)可以利用電壓增益較大的共基電路進(jìn)行補(bǔ)償,而共射電路的電流增益不會(huì)減小,因此整個(gè)組合電路的電流增益和電壓增益都較大。一般來(lái)說(shuō),共射共基電路的電壓增益幅值與單極共射電路大致相同,但上限截止頻率卻提高為單極共射電路的幾倍。

另外,采用共集共基、共集共射組合電路也可以提高上限截止頻率。

2.補(bǔ)償性匹配電路技術(shù)

在設(shè)計(jì)寬頻帶放大器時(shí),常遇到以下三個(gè)問(wèn)題:

(1)|S21|與|S12|會(huì)隨信號(hào)頻率的展寬而變動(dòng)。典型的|S21|的變化是隨頻率的上升以一定的變率下降,而|S12|則以相同的變率隨頻率的上升而上升。圖4.7.1描述了|S21|、|S12|及|S21S12|隨頻率而變的關(guān)系。其中,|S21S12|隨頻率的變動(dòng)對(duì)放大器工作穩(wěn)定性的影響最大。

(2)S11與S22也會(huì)隨頻率而變,而且在寬頻帶中變化極為顯著。

(3)在寬頻帶放大器的頻寬范圍內(nèi),常有噪聲度NF及駐波系數(shù)VSWR等趨于惡劣狀況出現(xiàn)。圖4.7.1|S12|、|S21|及|S21S12|的頻率特性

為解決上述問(wèn)題,常用于設(shè)計(jì)寬頻帶放大器的技術(shù)主要有兩個(gè):一是采用補(bǔ)償性匹配網(wǎng)絡(luò);二是采用負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。

采用補(bǔ)償性匹配網(wǎng)絡(luò)的方法是:通過(guò)在放大器中設(shè)計(jì)失配的輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò),補(bǔ)償射頻晶體管順向電壓傳輸系數(shù)|S21|隨頻率的變化。

對(duì)于補(bǔ)償性匹配網(wǎng)絡(luò),可采用史密斯圖來(lái)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。不過(guò),由于過(guò)程較為繁復(fù),因此常常要借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

匹配電路中元件的參數(shù)一般需要進(jìn)行反復(fù)嘗試和修改,使放大器在整個(gè)寬頻帶范圍內(nèi)具有盡可能平坦的功率增益。在現(xiàn)代頻率補(bǔ)償匹配網(wǎng)絡(luò)中,已經(jīng)開(kāi)始使用無(wú)源集總器件構(gòu)成復(fù)雜的匹配網(wǎng)絡(luò)。在使用頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí),由于在一些頻段匹配電路處于阻抗失配狀態(tài),導(dǎo)致放大器輸入或輸出端口的VSWR增加,不利于前級(jí)和后級(jí)電路的設(shè)計(jì)。放大器輸入和輸出端口的阻抗失配是采用補(bǔ)償性匹配電路技術(shù)的主要缺點(diǎn)。

3.負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

把負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)用于設(shè)計(jì)寬頻帶放大器,可使頻帶內(nèi)的增益趨于平坦,也能降低輸入和輸出端的駐波系數(shù)VSWR。同時(shí),對(duì)于個(gè)別晶體管在S參數(shù)上的差異,也可利用負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)加以調(diào)控。如果要求寬頻帶放大器的工作頻寬超過(guò)10倍頻程,頻帶內(nèi)功率增益的波動(dòng)小于0.1dB,則可采用補(bǔ)償性匹配電路技術(shù)來(lái)補(bǔ)償增益差異,但實(shí)際上該技術(shù)并不足以應(yīng)付。此時(shí)就需要采用負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

最常用的負(fù)反饋技術(shù)有兩個(gè),分別為串聯(lián)電阻反饋和旁路電阻反饋。圖4.7.2所示為晶體管負(fù)反饋電路。圖4.7.2晶體管負(fù)反饋電路

圖4.7.3給出了晶體管的等效電路。將串聯(lián)反饋電阻R1與并聯(lián)反饋電阻R2分別接入等效電路,可得如圖4.7.4所示的負(fù)反饋等效電路。圖4.7.3晶體管的等效電路圖4.7.4負(fù)反饋等效電路

負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)以y參數(shù)的矩陣表示為

式中:

再將y參數(shù)轉(zhuǎn)換為S參數(shù),可得:

假設(shè)輸入端與輸出端都為無(wú)反射的設(shè)計(jì),當(dāng)VSWR=1時(shí),有:

可導(dǎo)出:

于是由以上各關(guān)系,將S21、S12中的R1都換為R2,可得:

由上面兩式可知,以負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)的寬頻帶放大器,其有源器件的S參數(shù)為定值,并以R2

及Zo為函數(shù),且不隨信號(hào)頻率而改變。再設(shè)gm?1,由式(4.7.1)可得R1、R2與Zo三者的關(guān)系為

另外,若以并聯(lián)反饋設(shè)計(jì),R1=0,并仍能滿足S11=S22=0的條件,則跨導(dǎo)gm

的最小值gm,min為

【例4.7.1】設(shè)計(jì)一寬頻帶射頻晶體管放大器,以50Ω系統(tǒng)為參考,已知晶體管的S21=3.981,計(jì)算所用晶體管的最小跨導(dǎo)gm,min、并聯(lián)反饋電阻R2及傳輸功率增益。

解:

傳輸功率增益可由下式導(dǎo)出:

4.平衡放大技術(shù)

該技術(shù)采用3dB混合耦合器和兩個(gè)射頻放大電路構(gòu)成對(duì)稱(chēng)電路,通過(guò)隔離入射信號(hào)和反射信號(hào),實(shí)現(xiàn)降低輸入和輸出端口的駐波系數(shù)VSWR。其電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖4.7.5所示。圖4.7.5寬帶平衡放大器

4.8低噪聲放大器

對(duì)于無(wú)線電系統(tǒng)中的小信號(hào)放大器來(lái)說(shuō),除了要求增益以外,還要求有一定的低噪聲度NF。小信號(hào)放大器主要應(yīng)用于接收機(jī)的前端,其本身噪聲的大小將會(huì)主導(dǎo)整個(gè)接收系統(tǒng)的整體噪聲度,因而它必須是一個(gè)低噪聲的放大器。當(dāng)然,對(duì)于低噪聲放大器的設(shè)計(jì)而言,除了考慮噪聲外,還應(yīng)兼顧其增益及工作穩(wěn)定性。

4.8.1低噪聲放大器的定義及特點(diǎn)

LNA是射頻接收機(jī)前端的主要部分,它主要有四個(gè)特點(diǎn):

(1)LNA位于接收機(jī)的最前端,這就要求其噪聲越小越好。為了抑制后面各級(jí)噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響,還要求有一定的增益,但為了不使后面的混頻器過(guò)載,產(chǎn)生非線性失真,它的增益又不宜過(guò)大。放大器在其工作頻段內(nèi)應(yīng)該是穩(wěn)定的。

(2)LNA所接收的信號(hào)是很微弱的,所以LNA必定是一個(gè)小信號(hào)線性放大器,而且由于受傳輸路徑的影響,信號(hào)的強(qiáng)弱又是變化的,在接收信號(hào)的同時(shí)可能伴隨許多強(qiáng)干擾信號(hào)混入,因此要求有足夠大的線性范圍,且增益最好是可調(diào)節(jié)的。

(3)LNA一般通過(guò)傳輸線直接和天線或天線濾波器相連,放大器的輸入端必須和它們很好地匹配,以達(dá)到功率最大傳輸或噪聲系數(shù)最小的目的,并保證濾波器的性能。

(4)應(yīng)具有一定的選頻功能,抑制帶外和鏡像頻率干擾,因此LNA一般是頻帶放大器。就LNA的設(shè)計(jì)而言,在射頻段有源器件最適合的參數(shù)就是S參數(shù)。

4.8.2低噪聲放大器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在設(shè)計(jì)低噪聲放大器時(shí),最重要的就是要綜合考慮噪聲系數(shù)、增益、選擇性、隔離度等指標(biāo),仔細(xì)分析其影響因素。特別要強(qiáng)調(diào)的是,這些指標(biāo)是互相牽連,甚至是互相矛盾的。比如,LNA既要抑制噪聲,又要有一定的增益,因此,很少有恰好50Ω的匹配情況,所以在選取有源器件時(shí),應(yīng)以羅列特穩(wěn)定因數(shù)K>1的無(wú)條件穩(wěn)定為主要條件。這樣就避免了在設(shè)計(jì)過(guò)程中要同時(shí)考慮工作穩(wěn)定性的問(wèn)題,從而增加了設(shè)計(jì)過(guò)程的復(fù)雜性。

一般地,對(duì)于任何一個(gè)晶體管,將其工作點(diǎn)Q(UCE,IC)與信號(hào)源阻抗Rs

進(jìn)行適當(dāng)組合,都會(huì)提供最低的噪聲度。這一最佳信號(hào)源阻抗及工作點(diǎn)都可在晶體管的技術(shù)資料中獲得。一般在單一信號(hào)頻率下,當(dāng)UCE為一定值時(shí),用Rs

和IC

的組合表示其對(duì)應(yīng)的噪聲度。圖4.8.1所示為某晶體管在200MHz的工作頻率下,Rs

與IC組合得到的噪聲度曲線,可根據(jù)需要選取。

另外,還有一個(gè)參數(shù)也常用來(lái)表述最低噪聲度,即最佳信號(hào)源反射系數(shù)ΓsO,這一參數(shù)同樣可由低噪聲晶體管的技術(shù)資料獲得。圖4.8.1Rs與IC的噪聲度曲線

LNA常用的設(shè)計(jì)步驟如下:

(1)選取晶體管。在設(shè)定的工作點(diǎn)Q(UCE,IC)有最佳噪聲度或最佳信號(hào)源反射系數(shù)ΓsO,并判定K>1時(shí)為無(wú)條件穩(wěn)定。

(2)讀取晶體管最低噪聲度的ΓsO。

(3)根據(jù)讀到的ΓsO,設(shè)計(jì)信號(hào)源與晶體管輸入端的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。

(4)設(shè)計(jì)輸出端的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。設(shè)以共軛匹配為條件,計(jì)算:

在低噪聲放大器的設(shè)計(jì)上,務(wù)必同時(shí)顧及穩(wěn)定性、噪聲度及增益等指標(biāo)。另外,對(duì)寬頻帶的低噪聲放大器來(lái)說(shuō),增加源極或射極電感量的方法在較低頻率時(shí)會(huì)降低增益而提升穩(wěn)定性,在較高頻率時(shí)會(huì)增加增益而降低穩(wěn)定性。

4.9集成器件與應(yīng)用電路舉例

4.9.1AT32032晶體管放大器電路使用的有源器件是低電流高性能NPN晶體管AT32032,它在電源電壓為2.7V,電流為5mA時(shí),NF

為1.0~1.25dB,增益為7.5~15dB,ICBO為0.2μA,IEBO為1.5μA,適合900MHz、1.8GHz等無(wú)線電系統(tǒng)應(yīng)用。

當(dāng)AT32032工作在900MHz時(shí),可根據(jù)其技術(shù)手冊(cè)的S參數(shù)值計(jì)算得K>1,是無(wú)條件穩(wěn)定的。

用AT32032設(shè)計(jì)的900MHz放大器如圖4.9.1所示,其技術(shù)性能為:電源電壓為2.7~3V,集電極電流(IC)為5mA,傳輸?shù)截?fù)載的功率PL(dB)為13dBm,增益GT(dB)為15.5dB,輸出三階截點(diǎn)(OIP3)為23dBm,|S21|2為11.5dBm。圖4.9.1AT32032的應(yīng)用電路

4.9.2NJG1106KB2低噪聲放大器

NJG1106KB2是一個(gè)工作頻率范圍為800MHz~1GHz的LNA集成電路。該芯片內(nèi)部具有自偏置電路和輸入隔直電容,漏極電壓為2.5~5.5V,工作電流為2.5~3.4mA,小信號(hào)增益為15~19dB,噪聲系數(shù)NF為1.3~1.5dB,輸出功率PL(dB)為-4~0dBm,輸入三階截點(diǎn)(IIP3)為-8~-4dBm,射頻輸入/輸出VSWR為1.5~2。

NJG1106KB2采用FLP6B2封裝,封裝尺寸為2.1mm×2.0mm×0.75mm。其內(nèi)部電路如圖4.9.2所示。圖中,引腳1為射頻信號(hào)輸出和電源電壓輸入,需連接一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò);引腳3需連接外部旁路電容;引腳2、4、5為接地端,為獲得好的射頻接地性能,需使用多個(gè)通孔連接到地線;引腳6為射頻信號(hào)輸入端,連接一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)到該引腳端,不需要隔直電容。

圖4.9.2NJG1106KB2的內(nèi)部電路

基于NJG1106KB2的800MHz低噪聲放大電路如圖4.9.3所示。圖中,電感L4是射頻扼流圈;直流電源通過(guò)L3

和L4加入到內(nèi)部的LNA;C1

是隔直電容;C2

和C3是旁路電容;使用L1來(lái)穩(wěn)定放大器,在接近400MHz的較低頻段下拉輸入阻抗;輸入電路需要使用片式電感,封裝為1608;接地端需采用盡可能低的電感連接到地線。對(duì)于該應(yīng)用電路,在制作PCB板時(shí)可采用FR－4材料,厚度為0.2mm,微帶線寬為0.4mm(即輸出端阻抗為Z0=50Ω)。圖4.9.3NJG1106KB2的應(yīng)用電路

4.9.3AD8353寬帶放大器

AD8353是一個(gè)寬帶固定增益線性放大器,其工作頻率范圍為1MHz~2.7GHz;增益為15.6~19.8dB;線性輸出功率為9dBm;噪聲系數(shù)NF為5.3~6.8dB;輸出功率PL為7.6~9.1d