為應用選擇合適的射頻放大器指南

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？

答案：

為具體應用選擇合適的射頻放大器時，應考慮增益、噪聲、帶寬和效率等特性。

本文將評述最常用的射頻放大器，并說明增益、噪聲、帶寬、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，旨在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并不輕松。雖然幾乎所有射頻放大器的關鍵特性都是其增益，但這并不是選擇合適的器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。

增益表明放大器可以為信號提供多大的提升，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系)進行規定（參見圖1）。如果繼續提高射頻放大器的輸入信號的功率水平，器件將開始進入非線性模式，并產生雜散頻率分量。這些干擾分量包括諧波和交調產物（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交調失真(IMD)。射頻放大器處理不同輸入功率水平而不引入顯著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階交調點(IP2)和3階交調點(IP3)，它們是輸入（IIP2、IIP3）和輸出（OIP2、OIP3）信號功率水平的假設點，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平。

圖1 射頻放大器的輸出功率特性及其非線性參數

圖2 諧波和交調產物

盡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起著重要作用。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。下面是為目標用例選擇正確類型的射頻放大器的簡短指南。

低噪聲放大器

低噪聲放大器(LNA)常常用于接收器應用中，用于放大與天線接口的信號鏈前端的微弱信號。該類型射頻放大器經過優化，在執行此功能時向信號引入的噪聲極小。在信號鏈的前面幾級，噪聲最小化尤為重要，因為這些級對整個系統的總噪聲系數的影響最大。

低相位噪聲放大器

低相位噪聲放大器的額外相位噪聲極小，因而它們非常適合需要高信號完整性的射頻信號鏈。相位噪聲是近載波噪聲，表現為抖動，其特征是信號的相位在時域中有微小波動。因此，低相位噪聲放大器非常適合與高速時鐘和LO網絡中的高性能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，適用于旨在提供高功率的應用，如發射器系統等。這些放大器通常具有高OP1dB或PSAT特性，并提供高效率，從而可以保持低散熱。

高線性度放大器

高線性度放大器用于在很寬的輸入功率范圍內以極低的雜散水平提供高3階交調點。這種類型的器件是使用復數調制信號的通信應用的常見選擇，此類應用要求射頻放大器能夠以極小的信號失真處理高波峰因數，從而保持低誤碼率。

可變增益放大器

可變增益放大器(VGA)用于需要通過靈活的增益調節來適應信號電平變化的應用。VGA通過提供可調增益來實現此功能，增益既可利用數字控制的VGA以數字方式逐步改變，也可利用模擬控制的VGA連續改變。此類放大器常常用于自動增益控制(AGC)，以及用于補償其他元器件的溫度或特性變化所導致的增益漂移。

寬帶放大器

寬帶放大器能在很寬的頻率范圍（通常涵蓋數個倍頻程）內提供中等增益，多重寬帶應用得益于此。這些放大器提供大增益帶寬積，其代價通常是效率和噪聲性能平庸。

增益模塊

其他通用射頻應用也可以依靠增益模塊，后者代表了廣泛的射頻放大器類別，可以涵蓋各種頻率、帶寬、增益和輸出功率水平。這些放大器通常提供平坦的增益響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集成到信號鏈中，工作得以簡化。

結論

本文給出了射頻放大器及其應用的幾個例子。然而，這些器件種類眾多，所針對的應用數不勝數，這篇小文難免有所遺漏。射頻放大器可以采用不同的組裝和工藝技術進行設計，以提供不同的集成特性，支持特定的工作模式，并實現優化的性能來滿足各種應用的需要——從通信和工業系統到測試測量設備及航空航天系統。