運(yùn)放式射頻放大器
發(fā)布時(shí)間:2008/9/4 0:00:00 訪問次數(shù):654
傳統(tǒng)射頻放大器使用分立晶體管有源器件,主要原因是器件價(jià)格低廉。而隨著運(yùn)放性能的提高和批量應(yīng)用的推動(dòng),射頻放大器采用運(yùn)放已成大勢(shì)所趨。相對(duì)于分立晶體管,高速運(yùn)放確實(shí)有其長處:首先,前者構(gòu)成的放大器,其增益和帶寬與晶體管的偏流和工作點(diǎn)關(guān)系很大,調(diào)整起來相對(duì)困難;而運(yùn)放的增益是不受偏置影響的。其次,運(yùn)放還能減少工作溫度范圍內(nèi)的參數(shù)漂移,使工作更可靠和穩(wěn)定。
眾所周知,運(yùn)放又可分為電壓反饋式(vfb)和電流反饋式(cfb)兩種。在實(shí)際應(yīng)用中,大量使用的是vfb運(yùn)放,但在射頻放大器應(yīng)用中,cfb運(yùn)放具有更出色的性能。vfb運(yùn)放的增益一帶寬積是恒定的,增益受到帶寬的限制;cfb運(yùn)放在接近最高頻率處仍有較高的增益。例如,vfb運(yùn)放ths4001開環(huán)帶寬(-3db)為270mhz,增益為100(20db)時(shí)可用帶寬僅為10mhz;而cfb運(yùn)放ths3001開環(huán)帶寬(-3db)為420mhz,增益100時(shí)可用帶寬可達(dá)150mhz。
當(dāng)然,射頻設(shè)計(jì)者還要了解cfb運(yùn)放的一些特點(diǎn):
·放大器用運(yùn)放的內(nèi)部構(gòu)造有所不同,但構(gòu)成放大器的基本拓?fù)錄]有改變。
·cfb運(yùn)放數(shù)據(jù)表推薦的反饋電阻rf值應(yīng)嚴(yán)格遵守,增益應(yīng)用rg來調(diào)整。
·反饋環(huán)中不能有電容存在。
放大器的基本拓?fù)浜蛥?shù)
。悖妫膺\(yùn)放射頻放大器的基本拓?fù)淙允欠答伔糯笃鹘Y(jié)構(gòu),有同相放大器和反相放大器兩種形式。另一方面,對(duì)射頻電路而言,要特別關(guān)注輸入端與輸出端的阻抗匹配問題,系統(tǒng)常用50ω電纜連接,由于運(yùn)放的輸入阻抗高,因而輸入端并接一個(gè)50ω電阻;在輸出端,運(yùn)放輸出阻抗低,故而串接了一個(gè)50ω電阻。這樣,同相放大器就如圖1所示。
射頻電路性能通常用4個(gè)散射(s)參數(shù)來表征。術(shù)語“散射”隱含著損耗的意思。反射,即散射參數(shù)s11與s12會(huì)減少有用的信號(hào),反向傳輸s12從負(fù)載處返回輸出功率,只有正傳輸s21是有用的散射參數(shù)。設(shè)計(jì)射頻電路就是要減少s11、s22與s12而提高s21。射頻放大器小信號(hào)交流參數(shù)可從s參數(shù)推得,兩者的關(guān)系見表1,這些指標(biāo)是頻率依賴的。
輸入與輸出電壓駐波比(vswr)是個(gè)比值,因而是一個(gè)無單位量,它是輸入、輸出阻抗與源阻抗、負(fù)載阻抗匹配的度量,為了避免反射應(yīng)盡可能地匹配。vswr定義為:
。觯螅鳎颍剑ǎ椋铮蠡颍螅ǎ椋铮
理想的vswr等于1:1,然而典型的vswr在工作頻率范圍內(nèi)不會(huì)好于1.5:1。運(yùn)放的輸入、輸出阻抗是設(shè)計(jì)者選擇的外部元件確定的,因此運(yùn)放的數(shù)據(jù)表并未對(duì)vswr作出規(guī)定。回波損耗—該值與vswr的關(guān)系為:
回波損耗。剑玻埃欤铮纾ǎ觯螅鳎颍保ǎ觯螅鳎颍保剑保埃欤铮纾ǎ螅保保玻ㄝ斎耄剑保埃欤铮纾ǎ螅玻玻玻ㄝ敵觯
由于輸出阻抗在射頻處不是與zl完全匹配的,它隨環(huán)增益減少而逐漸增大,因而ro并聯(lián)了一個(gè)電容進(jìn)行補(bǔ)償。
正向傳輸s21是由輸入電阻rg和反饋電阻rf確定的,對(duì)同相型運(yùn)放s21表示為:
。螅玻保剑幔欤剑保玻ǎ保颍妫颍纾
注意,輸出端增加了一個(gè)串聯(lián)電阻,電壓分壓使增益降低了一半。對(duì)射頻放大,常用功率增益來表示:
。穑铮ǎ洌猓恚剑保埃欤铮纾ń^對(duì)功率/0.001w)
。洌猓恚剑洌猓觯保常ǎ担唉亟K端電阻)
反向傳輸s12表示輸入與輸出的隔離度,cfb射頻運(yùn)放的隔離度相當(dāng)不錯(cuò),尤其是同相型放大器,它的反饋連接在反相端,使隔離更佳。
相位線性度—設(shè)計(jì)者常常關(guān)心rf電路的相位響應(yīng),cfb放大器的相位線性度比vfb型放大器好,如:
。觯妫狻。簦瑁螅矗埃埃钡牟罘窒嘁茷椋埃保怠
。悖妫狻。簦瑁螅常埃埃钡牟罘窒嘁茷椋埃埃病
頻率響應(yīng)平坦度——cfb放大器可通過微調(diào)電阻(見圖1倒相端串聯(lián)的電阻)來調(diào)整頻響的平坦度而不會(huì)影響正向增益。再加上微調(diào)電阻后,rf和rg值要相應(yīng)地減少,但它們的比值保持不變,因而增益也保持不變。
-1db壓縮點(diǎn)—-1db壓縮點(diǎn)定義為:在固定頻率下,放大器實(shí)際功率比預(yù)期值少1db,換句話說,放大器增益比低功率下降低了1db。-1db壓縮點(diǎn)是射頻設(shè)計(jì)者對(duì)電壓軌值的一種表述。射頻設(shè)計(jì)者更關(guān)注增益的最大化,輕微的嵌位是允許的,只要產(chǎn)生的諧波在相關(guān)法規(guī)的范圍內(nèi),于是確定了-1db壓縮點(diǎn)。
標(biāo)準(zhǔn)交流耦合rf放大器在工作頻率范圍內(nèi)顯示出相對(duì)恒定的-1db壓縮點(diǎn)。在低頻下,增加固定頻率的功率最終會(huì)將輸出驅(qū)動(dòng)至軌值,即vom指標(biāo);在高頻下,運(yùn)放會(huì)受到轉(zhuǎn)換速率的限制,由于輸出使用了
傳統(tǒng)射頻放大器使用分立晶體管有源器件,主要原因是器件價(jià)格低廉。而隨著運(yùn)放性能的提高和批量應(yīng)用的推動(dòng),射頻放大器采用運(yùn)放已成大勢(shì)所趨。相對(duì)于分立晶體管,高速運(yùn)放確實(shí)有其長處:首先,前者構(gòu)成的放大器,其增益和帶寬與晶體管的偏流和工作點(diǎn)關(guān)系很大,調(diào)整起來相對(duì)困難;而運(yùn)放的增益是不受偏置影響的。其次,運(yùn)放還能減少工作溫度范圍內(nèi)的參數(shù)漂移,使工作更可靠和穩(wěn)定。
眾所周知,運(yùn)放又可分為電壓反饋式(vfb)和電流反饋式(cfb)兩種。在實(shí)際應(yīng)用中,大量使用的是vfb運(yùn)放,但在射頻放大器應(yīng)用中,cfb運(yùn)放具有更出色的性能。vfb運(yùn)放的增益一帶寬積是恒定的,增益受到帶寬的限制;cfb運(yùn)放在接近最高頻率處仍有較高的增益。例如,vfb運(yùn)放ths4001開環(huán)帶寬(-3db)為270mhz,增益為100(20db)時(shí)可用帶寬僅為10mhz;而cfb運(yùn)放ths3001開環(huán)帶寬(-3db)為420mhz,增益100時(shí)可用帶寬可達(dá)150mhz。
當(dāng)然,射頻設(shè)計(jì)者還要了解cfb運(yùn)放的一些特點(diǎn):
·放大器用運(yùn)放的內(nèi)部構(gòu)造有所不同,但構(gòu)成放大器的基本拓?fù)錄]有改變。
·cfb運(yùn)放數(shù)據(jù)表推薦的反饋電阻rf值應(yīng)嚴(yán)格遵守,增益應(yīng)用rg來調(diào)整。
·反饋環(huán)中不能有電容存在。
放大器的基本拓?fù)浜蛥?shù)
cfb運(yùn)放射頻放大器的基本拓?fù)淙允欠答伔糯笃鹘Y(jié)構(gòu),有同相放大器和反相放大器兩種形式。另一方面,對(duì)射頻電路而言,要特別關(guān)注輸入端與輸出端的阻抗匹配問題,系統(tǒng)常用50ω電纜連接,由于運(yùn)放的輸入阻抗高,因而輸入端并接一個(gè)50ω電阻;在輸出端,運(yùn)放輸出阻抗低,故而串接了一個(gè)50ω電阻。這樣,同相放大器就如圖1所示。
射頻電路性能通常用4個(gè)散射(s)參數(shù)來表征。術(shù)語“散射”隱含著損耗的意思。反射,即散射參數(shù)s11與s12會(huì)減少有用的信號(hào),反向傳輸s12從負(fù)載處返回輸出功率,只有正傳輸s21是有用的散射參數(shù)。設(shè)計(jì)射頻電路就是要減少s11、s22與s12而提高s21。射頻放大器小信號(hào)交流參數(shù)可從s參數(shù)推得,兩者的關(guān)系見表1,這些指標(biāo)是頻率依賴的。
輸入與輸出電壓駐波比(vswr)是個(gè)比值,因而是一個(gè)無單位量,它是輸入、輸出阻抗與源阻抗、負(fù)載阻抗匹配的度量,為了避免反射應(yīng)盡可能地匹配。vswr定義為:
。觯螅鳎颍剑ǎ椋铮蠡颍螅ǎ椋铮
理想的vswr等于1:1,然而典型的vswr在工作頻率范圍內(nèi)不會(huì)好于1.5:1。運(yùn)放的輸入、輸出阻抗是設(shè)計(jì)者選擇的外部元件確定的,因此運(yùn)放的數(shù)據(jù)表并未對(duì)vswr作出規(guī)定;夭〒p耗—該值與vswr的關(guān)系為:
回波損耗。剑玻埃欤铮纾ǎ觯螅鳎颍保ǎ觯螅鳎颍保剑保埃欤铮纾ǎ螅保保玻ㄝ斎耄剑保埃欤铮纾ǎ螅玻玻玻ㄝ敵觯
由于輸出阻抗在射頻處不是與zl完全匹配的,它隨環(huán)增益減少而逐漸增大,因而ro并聯(lián)了一個(gè)電容進(jìn)行補(bǔ)償。
正向傳輸s21是由輸入電阻rg和反饋電阻rf確定的,對(duì)同相型運(yùn)放s21表示為:
s21=al=1/2(1+rf/rg)
注意,輸出端增加了一個(gè)串聯(lián)電阻,電壓分壓使增益降低了一半。對(duì)射頻放大,常用功率增益來表示:
。穑铮ǎ洌猓恚剑保埃欤铮纾ń^對(duì)功率/0.001w)
。洌猓恚剑洌猓觯保常ǎ担唉亟K端電阻)
反向傳輸s12表示輸入與輸出的隔離度,cfb射頻運(yùn)放的隔離度相當(dāng)不錯(cuò),尤其是同相型放大器,它的反饋連接在反相端,使隔離更佳。
相位線性度—設(shè)計(jì)者常常關(guān)心rf電路的相位響應(yīng),cfb放大器的相位線性度比vfb型放大器好,如:
。觯妫狻。簦瑁螅矗埃埃钡牟罘窒嘁茷椋埃保怠
。悖妫狻。簦瑁螅常埃埃钡牟罘窒嘁茷椋埃埃病
頻率響應(yīng)平坦度——cfb放大器可通過微調(diào)電阻(見圖1倒相端串聯(lián)的電阻)來調(diào)整頻響的平坦度而不會(huì)影響正向增益。再加上微調(diào)電阻后,rf和rg值要相應(yīng)地減少,但它們的比值保持不變,因而增益也保持不變。
-1db壓縮點(diǎn)—-1db壓縮點(diǎn)定義為:在固定頻率下,放大器實(shí)際功率比預(yù)期值少1db,換句話說,放大器增益比低功率下降低了1db。-1db壓縮點(diǎn)是射頻設(shè)計(jì)者對(duì)電壓軌值的一種表述。射頻設(shè)計(jì)者更關(guān)注增益的最大化,輕微的嵌位是允許的,只要產(chǎn)生的諧波在相關(guān)法規(guī)的范圍內(nèi),于是確定了-1db壓縮點(diǎn)。
標(biāo)準(zhǔn)交流耦合rf放大器在工作頻率范圍內(nèi)顯示出相對(duì)恒定的-1db壓縮點(diǎn)。在低頻下,增加固定頻率的功率最終會(huì)將輸出驅(qū)動(dòng)至軌值,即vom指標(biāo);在高頻下,運(yùn)放會(huì)受到轉(zhuǎn)換速率的限制,由于輸出使用了
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