第2章 射频小信号放大器电路.ppt
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1、第2章 射频小信号放大器电路n2.1 射频小信号放大器的特点和主要技术指标射频小信号放大器的特点和主要技术指标n2.1.1 射频小信号放大器的特点n2.1.2 射频小信号放大器的主要技术指标n2.2 射频小信号调谐放大器电路射频小信号调谐放大器电路n2.2.1 LC调谐回路n2.2.2 单级单调谐放大电路n2.2.3 调谐放大器的级联n2.2.4 调谐频率相同的多级调谐放大器n2.2.5 参差调谐放大器n2.3 宽频带放大器宽频带放大器n2.3.1 宽频带放大器的特点n2.3.2 宽频带放大器电路n2.4 集中选频放大器集中选频放大器n2.4.1 集中选频放大器的特点n2.4.2 集中滤波器元
2、件n2.5 射频小信号放大器电路实例射频小信号放大器电路实例n2.5.1 DC3.5GHz宽带放大器电路n2.5.2 DC6GHz宽带放大器电路n2.5.3 2.2GHz RF/IF差分放大器电路n2.5.4 GPS接收机LNA电路n思考题与习题2.1.1 射频小信号放大器的特点n在无线通信系统中,到达接收机的射频信号电平多在微伏数量级。因此,需要将微弱的射频信号进行放大。射频小信号放大器电路是无线通信接收机的重要组成部分。n在多数情况下,信号不是单一频率的,而是占有一定频谱宽度的频带信号。另外,在同一信道中,可能同时存在许多偏离有用信号频率的各种干扰信号,因此射频小信号放大电路除有放大功能外
3、,还必须具有选频功能。n射频小信号放大器电路分为窄频带放大电路和宽频带放大电路两大类。n窄频带放大电路可对中心频率在几百千赫兹到几百兆赫兹(甚至几吉赫兹)、频带宽度在几千赫兹到几十兆赫兹内的微弱信号进行不失真的放大,故不仅需要一定的电压增益,而且需要选频能力。n窄频带放大电路由双极型晶体管、场效应管或射频集成电路等有源器件提供电压增益,由LC谐振回路、陶瓷滤波器、石英晶体滤波器或声表面波滤波器等器件实现选频功能。n宽频带放大电路对几兆赫兹至几百兆赫兹(甚至几吉赫兹)的较宽频带内的微弱信号进行不失真的放大,故要求放大电路具有很低的下限截止频率(有些要求到零频即直流)和很高的上限截止频率。n宽频带
4、放大电路也是由晶体管、场效应管或集成电路提供电压增益。为了展宽工作频带,不但要求有源器件具有好的高频特性,而且在电路结构上也会采取一些改进措施,例如采用共射共基组合电路和负反馈。n射频小信号选频放大器的方框图如图2.1所示,由有源放大器件和无源选频网络组成。n有源放大器件可以是晶体管、场效应管或射频集成电路,无源选频网络可以是LC谐振回路,或者是声表面波滤波器、陶瓷滤波器、晶体滤波器。n不同的组合方法,构成了各种各样的电路形式。按谐振回路区分,有源放大器件有单调谐放大器、双调谐放大器和参差调谐放大器;n按晶体管连接方法区分,有源放大器件有共基极、共集电极、共发射极单调谐放大器等。图21射频小信
5、号选频放大器的方框图2.1.2 射频小信号放大器的主要技术指标n对于射频小信号放大器,要求具有低的噪声系数、足够的线性范围、合适的增益、输入/输出阻抗的匹配、输入/输出之间良好的隔离。n在移动通信设备中,还要求具有低的工作电源电压和低的功率消耗。n特别要强调的是,所有这些指标都是互相联系的,甚至是矛盾的,在设计中如何采用折中的原则,兼顾各项指标,是很重要的。n1增益n增益表示放大器对有用信号的放大能力,定义为放大器的输出信号与输入信号的比值。对于选频放大器电路,通常用在中心频率f0(或者0)上的电压增益和功率增益这两种方法来表示:n电压增益见(2.1.1)n功率增益(2.1.2)n式中,uo、
6、ui分别为放大器中心频率上输出、输入电压的有效值;Po、Pi分别为放大器中心频率上的输出、输入功率,单位为dB。n射频小信号放大器电路的增益要适中,过大会使下级混频器的输入太大,产生失真;太小则不利于抑制后面各级的噪声对系统的影响。n射频小信号放大器电路的增益与器件的技术特性、工作状态和负载有关,需要选择合适的工作频率、电流偏置、输入/输出匹配网络。一般要求电路的增益是可控制的,通过改变放大器的工作点、改变放大器的负反馈量、改变放大器谐振回路的Q值等参数,可以控制电路的增益,通常采用自动增益控制电路实现。n2通频带n通频带定义为放大器的增益下降3dB时的上限截止频率与下限截止频率之差,即放大器
7、电路电压增益频率响应特性由最大值下降3dB时,所对应的频带宽度,通常以BW0.7表示,如图2.2所示。n3选择性n选择性表示放大器对通频带以外的干扰信号的滤除能力,即指对通频带之外干扰信号的衰减抑制能力。n选择性有两种描述方法:一是用矩形系数来说明邻近信道选择性的好坏;二是用抑制比(或称抗拒比)来说明对带外某一特定干扰频率fN信号的抑制能力的大小。n矩形系数用K0.1来表示,定义为nK0.1=BW0.1/BW0.7(2.1.3)n式中,BW0.1是增益下降到最大值的0.1倍时的频带宽度;BW0.1和BW0.7之间的频率范围称为过渡带;K0.1间接反映了过渡带与通频带的频宽比,K0.1越小,过渡
8、带越窄,选择性越好。理想情况下的K0.1等于1,实际的K0.1总是大于1。n在工程中,放大器的带宽范围往往被通信系统预先确定。因此,对于满足带宽要求的选频放大电路来说,可以采用S参数的方法来表示图2.2b的选择性。S参数定义为:过渡带内某特定频率条件下的增益A(1)与通频带内的最大增益A0的比值,即nS=A(1)/A0 (2.1.4)n显然,S值越小的电路,选择性越好。若选用谐振回路作为选频电路时,过渡带的宽窄与谐振回路Q值有直接的关系,Q值越大过渡带越小,电路的选择性越好。放大电路的通频带与选择性是相互制约的,即通频带大时,必然使选择性差。n4线性范围n线性范围主要由1dB压缩点和三阶互调截
9、点IP3来度量。在射频小信号放大器电路中,器件的跨导随输入n信号幅度的增加而减少,此现象称为增益压缩。对应于输入信号幅度值Uin,增益比线性放大n增益下降1dB的那一点称为1dB压缩点,如图2.3所示。1dB压缩点常用来度量放大器的线性特性。图2.3 放大器的1dB压缩点n当两个频率接近的信号输入到射频小信号放大器时,由于器件的非线性,会产生许多组合频率分量,这些组合频率分量有可能落在放大器频带内,即在放大器频带内的频率分量除了基波外,还可能有组合频率分量产生。这些组合频率分量形成对有用信号的干扰。这种干扰并不是由两输入信号的谐波产生,而是由这两个输入信号的相互调制(相乘)引起的,所以称为互调
10、(Intermodulation,IM)失真。n由非线性器件的三次方项引起的互调失真称为三阶互调失真,由五次方项引起的互调失真称为五阶互调失真。n可以在互调失真比和三阶互调截点两个指标中,选一个来衡量放大器的互调失真程度。n通常用“三阶互调截点IP3”(Thirdorder intercept point)来说明三阶互调失真的程度。三阶互调截点IP3定义为三阶互调功率达到和基波功率相等的点,此点所对应的输入功率表示为IIP3,此点对应的输出功率表示为OIP3(一般在放大器中常用OIP3作为参考,在混频器中常用IIP3作为参考)。n输出有用功率Po与输入功率Pi成正比,而三阶互调输出功率与输入功
11、率Pi的三次方成正比。三阶互调截点IP3示意图如图2.4a所示,它们的相交点即为三阶截点IP3。用对数坐标方程表示为nPo1(dB)=10lgGP1+10lgPinPo3(dB)=10lgGP3+30lgPi (2.1.7)n式中,GP1为放大器的功率增益;Pi为放大器的输入功率;GP3为放大器的三阶互调功率增益;Po1为基波功率;Po3为三阶互调功率。n在以对数形式表示的坐标上,它们是两条直线,如图2.4b所示,图中分别标出了IIP3和OIP3的值。图2.4 三阶互调截点IP3示意图n在讨论射频小信号放大器电路中的线性范围时,要注意三个问题:一是线性范围和器件有关,由于场效应管是平方律特性,
12、因此它的线性要比双极型晶体管好;二是和电路结构有关,例如加负反馈、单管放大改为差分放大等,均能改善线性范围;三是输入端的阻抗匹配网络也会影响放大器的线性范围。n射频小信号放大器电路与其信号源的匹配是很重要的。放大器与信号源的匹配有两种方式:一是以获得噪声系数最小为目的的噪声匹配,二是以获得最大功率传输和最小反射损耗为目的的共轭匹配。一般来说,力求两种匹配接近。匹配网络可以用纯电阻网络,也可以用电抗网络。电阻匹配网络适合于宽带放大,但它们要消耗功率,并增加噪声。采用无损耗的电抗匹配网络不会增加噪声,但只适合窄带放大。n5隔离度和稳定性n增大射频小信号放大器的反向隔离,可以减少本振信号从混频器向天
13、线的泄漏程度。同时,射频小信号放大器的反向隔离度好,可减少输出负载变化对输入阻抗的影响,简化其输入、输出端的匹配网络的调试。n引起反向传输的原因在于器件各极间的极间电容及电路中寄生参数的影响,它们也是造成放大器不稳定的原因。例如在某些频率点上,由于源阻抗和负载阻抗的不恰当组合,变成正反馈,引起不稳定,甚至振荡。放大器的稳定性是随着反向传输的减少,即隔离性能的增加而改善的。n当放大电路的工作状态(如偏置)、交流参数,以及其他电路元件参数发生变化时,放大器的主要性能指标会发生变化,造成不稳定现象。不稳定现象表现在增益变化、中心频率偏移、通频带变窄、谐振曲线变形等。不稳定状态的极端情况是放大器自激振
14、荡,可致使放大器完全不能工作。n一般来说,可以采用稳定工作点、限制放大器的增益、选择内反馈小的放大元器件等方法来解决稳定性问题。寄生反馈是引起不稳定的主要原因,必须尽力找出寄生反馈的途径,力图消除一切可能产生反馈的因素。n6噪声系数n射频小信号放大器的输出噪声来源于输入端和放大电路本身。噪声系数是用来描述放大器本身产生噪声电平大小的一个参数。放大器本身产生噪声电平的大小对所传输的信号,特别是对微弱信号的影响是较大的。为减小放大器电路的内部噪声,在设计与制作放大器电路时,应采用低噪声放大元器件,以及正确选择工作状态和适当的电路结构。n射频小信号放大器的主要技术指标在相互之间既有联系又有矛盾,例如
15、增益和稳定性,通频带和选择性等,需根据实际情况决定主次,对电路进行合理设计与调整。2.2 射频小信号调谐放大器电路2.2.1 LC谐振回路n1电感(器)的射频特性n在射频频段,集总电感和集总电容的特性是不具有“纯”的电感和电容的性质,这是在射频电路设计、模拟和布线过程中必须注意的。n一个电感器的高频等效电路如图2.5所示,图中,电容Cs为等效分布电容,Rs为等效电感线圈电阻。从图2.5可见,分布电容Cs与电感线圈并联,这也意味着,一定存在着某一频率,在该频率点线圈电感和分布电容产生并联谐振,使阻抗迅速增加。通常称这一谐振频率点为电感器的自谐振频率(Self Resonant Frequency
16、,SRF)。当频率超过谐振频率点时,分布电容Cs的影响将成为主要因素。n线圈电阻的影响通常用品质因数Q来表示nQ=X/Rs (2.2.1)n式中,X是电抗;Rs是线圈的串联电阻。品质因数表征无源电路的电阻损耗,通常希望得到尽可能高的品质因数。图2.5 一个电感器的高频等效电路n目前片式电感器也在射频电路中被广泛使用。片式电感器有绕线型片式电感器、陶瓷叠层片式电感器、多层铁氧体片式电感器、片式磁珠等多种形式。例如,一种FHW系列的绕线型片式电感器尺寸有0603、0805、1008、1210、1812形式,电感范围为3.3100000nH,0603的封装尺寸为1.70mm(长)1.16mm(宽)1
17、.02mm(高)。n2电容(器)的射频特性n一个电容器的高频等效电路如图2.6所示,图中,电感L等效为引线电感,电阻Rs表示引线导体损耗,电阻Re表示介质损耗。由图2.6可见,电容器的引线电感将随着频率的升高而改变电容器的特性。如果引线电感与实际电容器的电容谐振,将会产生串联谐振,使总电抗趋向为0。由于这个串联谐振产生一个很小的串联阻抗,所以非常适合在射频电路的耦合和去耦电路中应用。然而,当电路的工作频率高于串联谐振频率时,该电容器将表现为电感性而不是电容性。n片式电容器有高频用(高Q)多层陶瓷片式电容器、X7R介质片式电容器、NPO介质片式电容器、Y5V介质片式电容器、固体钽质片式电容器等多
18、种形式。目前,多层陶瓷片式电容器在射频电路中广泛使用,它们可用于射频电路中的各个部分,使用频率可以高达15GHz。例如一种型号为CDR系列的片式电容器,最小封装尺寸仅为2.00mm(长)1.25mm(宽)1.30mm(高),电容值范围为0.1470000pF,电压为100V。图2.6 一个电容器的高频等效电路n3LC并联谐振回路nLC谐振回路由电感和电容组成,按电感、电容与外接信号源连接方式的不同,可分为串联和并联调谐回路两种类型。在调谐放大器中,谐振回路多以并联的方式出现在电路中,下面主要讨论并联谐振回路。n由于谐振回路具有选频性能,在通信系统中,常用做带通滤波器,用来传输或选择已调的高频信
19、号。一个无线电信号占有一定的频带宽度,无线电信号通过谐振回路不失真的条件是:谐振回路的幅频特性是一常数,相频特性正比于角频率。nLC并联谐振回路由电感L、电容C与外接信号源并联而成,如图2.7所示。回路的电容损耗忽略不计,电感线圈的损耗以并联电阻R0的形式出现。图2.7 LC并联谐振回路n(1)LC并联谐振回路的阻抗特性n设外接信号源的角频率为,可求得LC并联谐振回路的等效导纳如(2.2.2)所示。n其中,电导见(2.2.3)。n写成指数形式见(2.2.4)。n其中,等效导纳的模为(2.2.5)所示。n导纳角为(2.2.6)所示。nLC并联谐振回路的阻抗表达形式如(2.2.7)所示。nLC并联
20、谐振回路的阻抗特性曲线如图2.8所示。由图可知,当LC并联谐振回路处于谐振状态,此时,回路导纳最小,阻抗最大,回路呈现为纯电阻。回路谐振时的R0也称为谐振电阻,0称为谐振角频率。当回路谐振时,谐振频率如(2.2.8)所示。n在谐振回路中,回路的谐振特性与回路的品质因数有关。LC并联谐振回路的品质因数是由回路谐振电阻与特性阻抗的比值定义的,即从式(2.2.10)可知,LC并联谐振回路中Q值与回路中的R0、L、C三个元件的参数有关。如图2.8所示,当L和C参数不变时(谐振角频率0不变),回路的R0越大,Q值越大,阻抗特性曲线越尖锐;反之,R0越小,Q值越小,阻抗特性曲线越平坦。图2.8 LC并联谐
21、振回路的阻抗特性n(2)LC并联谐振回路的选频特性n根据式(2.2.13)、式(2.2.14),可得到LC并联谐振回路的幅频特性和相频特性曲线,如图2.9所示。由图可见,在谐振点0处,电压幅值最大;当0时,回路呈现感性,电压超前电流一个相角,电压幅值减小;当0时,回路呈现容性,电压滞后电流一个相角,电压幅值也减小。图2.9 LC并联谐振回路的幅频特性和相频特性曲线n4串联谐振回路n串联谐振回路是由电感线圈L、电容器C、外接信号源相互串联而成,电路如图2.10所示。n串联谐振回路适用于信号源内阻等于零或很小的情况(恒压源),因为如果信号源内阻很大,采用串联谐振回路将严重降低回路的品质因数,使串联
22、谐振回路的通频带过宽,选择性明显变差。所以在调谐放大器中,常采用并联谐振回路作为放大器的负载。图2.10 LC串联谐振回路n在图2.10中,经推导可得,LC串联谐振回路的阻抗为(2.2.15)所示。n谐振角频率为(2.2.16)所示。n品质因数为(2.2.17)所示。n谐振电阻为(2.2.18)所示。n在如图2.10所示的LC串联谐振回路中,信号源为恒压源US,则回路电流IS为(2.2.19)所示。n模为(2.2.20)所示。n相位角为(2.2.21)所示。nLC串联谐振回路的阻抗特性和频率特性曲线如图2.11所示,在谐振点,电流最大,谐振电阻最小。在失谐情况下,当ff0时,阻抗特性呈感性;当
23、ff0,阻抗特性呈容性。n图2.11 LC串联谐振回路的阻抗特性和频率特性曲线n5Q值对LC谐振回路的谐振曲线及通频带的影响n式(2.2.22)中,fff0,为信号频率偏离谐振点的数值,简称为频偏。U/Um为谐振曲线的相对抑制比。n从式(2.2.22)可见,对于同样频偏f,Q越大U/Um值越小,谐振曲线越尖锐,如图2.12a所示。图2.12 Q值对谐振回路的谐振曲线及通频带的影响n在无线通信技术中,通常把Um从1下降到1/2(以dB表示,从0下降到-3dB)处的两个频率f1和f2的范围叫做通频带,以符号BW或2f0.7表示,即回路的通频带为nBW=f2-f1 (2.2.24)n如图2.12b所
24、示。n根据通频带的定义,可求得nBW=f0/Q (2.2.25)n通频带必须满足需要通过的信号频率范围的要求,为了滤除其他频率信号的干扰,在通频带之外,U/Um比值越小越好。n选择性是谐振回路的另一个重要指标,它表示回路对通频带以外干扰信号的抑制能力。通常将某一频率偏差f下的U/Um值记为,称为谐振回路对指定频偏f下的选择性,如(2.2.26)所示。显然,值愈小,选择性愈高。n对于同一谐振回路,提高通频带和改善选择性是矛盾的。Q值越高,选择性越好,但通频带越窄。为了保证较宽的通频带,就得降低选择性的要求,反之亦然。n一个理想的谐振回路,其幅频特性应是一个矩形,在通频带内信号可以无衰减地通过,通
25、频带以外衰减为无限大。实际谐振回路选频性能的好坏,应以其幅频特性接近矩形的程度来衡量。为了便于定量比较,采用矩形系数这一指标。n理想的谐振回路的矩形系数K0.11,但实际谐振回路的矩形系数显然与理想的情况相差甚远。单谐振回路不论Q、f0为多大,其矩形系数为恒定值10,显然它的选频性能不是很理想。n6负载和信号源内阻对谐振回路的影响n在没有接信号源内阻和负载时,回路本身的Q值叫做无载或空载Q值,以QO表示。计入信号源内阻和负载时的Q值,叫做有载Q值,以QL表示。n考虑负载RL和信号源内阻RS的LC并联谐振回路,如图2.13所示。当RS、RL接入回路时,回路的谐振频率不变,可求得回路的品质因数QO
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