射频放大器为微弱的信号提供增益、缓冲、驱动

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处理它们物理电路中的 RF 信号通常充满挑战,又困难重重。它们天生就是高频率信号(如今 GHz 及以上已经司空见惯),通常位于低电压级别(名义上最高为 1 V,但通常低得多),会迅速从许多来源集聚额外噪音,很容易过载且缺少驱动能力。因此需要使用射频放大器(通常简写为“amp”一词,但不要和电流及安培搞混)以按需调整及增强它们。

射频放大器提供三项主要功能(图 1)。

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图 1:这种简单且标准的放大器图解符号并未表明放大器必须支持的各种用途、应用、功能或作用,即便它未提供信号处理或信号形状的改变(未显示功率和接地连接)。

1) 增益:当射频信号振幅极小且低到无法在电路的任何地方使用时,或需要增强从而整体 SNR(信噪比)不会随着信号穿过电路其他部分而衰弱,或它的振幅必须匹配 A/D 转换器等元件的输入范围时,就需要增益。来自天线等的许多 RF 信号属于微伏特 (Vμ)或毫伏特 (mV) 范围,而信号处理电路在处理标准最高值在 1 到 10 V(取决于设计)的信号时要高效得多。增益放大器的唯一重心是:增强信号水平同时增加最低噪音或失真。专用于配合来自天线等的超低水平信号的增益放大器通常称为低噪声放大器 (LNAs)。有些射频放大器提供唯一固定增益值,而其他则允许使用者通过外部跨接器或电阻器在各固定增益值(例如 ×10 和 ×100,或 ×2、×4、×8、×16)中进行选择。另一种类型的射频放大器称为可变增益放大器 (VGA),它使用外部物理电阻器、数字可编程电阻器或模拟控制电压(通常在 0 到 1 V 之间),允许使用者按照需要在很大范围内设定和更改增益。

2) 缓冲:当电路功能或信号必须在其负载改变后仍保持其形状和振幅,或当它必须连接到比它通常接受的负载更大的负载时,就需要缓冲。例如,来自天线 LNA 输出的 ±1-V 放大信号可能需要连接到带有一些电感的另一级。缓冲放大器确保该电感的出现不会影响该 ±1-V 信号的保真度或导致失真。射频缓冲放大器也可用于将(通过复数共轭)正在输出信号的电路输出的阻抗与其负载电路的输出的阻抗进行匹配,以实现最大的功率传输。除了频率范围外,缓冲器的重要规格是它能够驱动的电阻性负载和电抗性负载,而不令信号失真。

3) 驱动:射频驱动放大器的主要功能是在工作频率拉出和灌入足够的电流,以驱动 50- 或 75-Ω 同轴电缆等低抗阻负载。当射频驱动器用于提供一种功率增强(电流及/或电压)以驱动天线等负载时,它也可看做 RF 功率放大器。除了通用的射频缓冲放大器具有的功能外, 它们还须在提供充足电流的同时具备转换速率 (dI/dt) 和拉/灌能力,在这些射频放大器工作的频率中这两项性能相当高。

部分驱动器提供增益效果,而其他只具有固定单位增益。此外,这些驱动器通常可“在常规之外”连接到电缆和使用者控制的接口,因此它们通常被设计成能够耐受接地短路和直流电功率轨(无论是因为使用者操作失误或是连接故障)。这些驱动器的关键参数是它们的额定拉/灌值,以及额定的耐短路及其他误连接的时间和施加电压。

举例说明射频放大器差异

请注意,部分射频放大器能够在一台设备上结合超过一种基本功能。例如,它能够找到一个同时具有增益的缓冲器。在有些情况下,这些是诱人的物料清单 (BOM) 选择;而在其他案例中,这些电路需要的性能规格只有专用的单功能射频放大器能够满足。这些放大器并不具有内在参数折衷,而在多功能设备中,这种折衷有时难以避免。

Infineon Technologies AG 生产的 BGM781N11 就是个很好的低噪音射频放大器的例子,它针对 1575.42 MHz 的性能进行了优化,用于 GPS 和 Galileo 卫星导航产品(图 2)。在该应用中,射频信号强度天生极低,因此基础的 LNA 必须提供噪音极低的增益。BGM781N11 的增益值是 18.6 dB,而噪声因数为 1.7 dB;相邻的蜂窝频段的去基带抗拒是 80 dBc。该设备装在极小的 TSNP-11-2 无引线封装内,仅需由 1.5 V 到 3.6 V 的电源发出的 3.3 mA 电流,包含用于将去基带噪音降到最低的窄频带过滤器,且在输入和输入方面分别内匹配 50 Ω驱动和负载。


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图 2:Infineon BGM781N11 低噪音射频放大器专用于增强来自 GPS 或 Galileo 卫星导航接收器天线的微弱信号;它不仅提供低噪声的增益,还包含通带过滤器,用以抑制 1575.42 MHz 载波任何一侧的信号。(来源:Infineon Technologies)

Linear Technology 公司 生产的 LTC6431-20 是一款基础缓冲器,具有频率超过 1 GHz 的线性,以及低噪音和低功率耗散(图 3)。 同 Infineon 的产品一样,它在从 20 MHz 到 1.5 GHz 的范围中输入和输出端内匹配 50- Ω接口,缓解了宽频带设计中的互联性挑战。

参阅相关产品

LTC6431AIUF-20#PBF

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它可提供高达 20 dB 的增益,并主要在 RF 链的 IF 阶中用作缓冲器。该 IC 的噪声数在 240 MHz 为 2.6 dB,总输入噪声为 0.6nV/√Hz。该单端缓冲器仅消耗由单个 5-V 电源提供的 93 mA 电能。

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图 3:Linear Technology 公司生产的 LTC6431-20 可在 1 GHz 以上工作,同时提供 +20 dB 的增益;作为级间缓冲器,它还通常遇到 50-Ω 电源和 50-Ω 负载,因此被设计成匹配那些阻抗。(来源:Linear Technology)

代表性的 RF 驱动放大器是 Avago TechnologiesMGA-30489, 是一款在 SOT-89 标准塑料封装中的高线性 0.25-W 设备,专用于在 250 MHz 和 3 GHz 之间工作(图 4)。它能够简单地与在 Cellular/PCS/W-CDMA/WLL 和下一代无线技术等应用中使用的 50-Ω 标准无线基础设施进行抗阻匹配,以在整个带上实现最佳功率和线性。它由 5-V 电源供电,需要 97 mA 电流(标准),且具有 3 dB 的噪声因数和 13.3 dB 的固定增益。


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图 4:Avago Technologies 生产的 MGA-30489 射频驱动放大器可提供 250 MHz 和 3 GHz,高达 0.25 W 的 射频功率,且适合驱动同轴电缆及天线。(来源:Avago Technologies)

”射频放大器“这个简单的术语实际包括射频频谱中各种放大功能,范围从几 MHz 直到数 GHz。尽管射频放大器并未改变信号的形状,也未进行任何模拟信号处理,它仍在信号链的各级中具有重要且不同的作用。其中包括以 LNA 或匹配信号与转换器跨度为代表的基础放大效果;它作为射频信号的缓冲器,因而在信号链中每个阶段有些独立于之前和之后的阶段进行工作,并提供所需的信号工作,从而以高速和最小失真推动低阻抗和非电阻负载。

部分射频放大器参数适用于所有这些(及其他)应用,但还有一些参数对于部分射频放大器的功能更重要且突出,而对于其他射频放大器则没有这么重要和突出。此外,有些射频放大器组合了两个及以上基础放大功能,但单功能设备仍非常流行,因为在需要时,它们能够提供最佳性能。 


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