2.1射頻小信號放大器電路

主要技術(shù)指標(biāo)在無線通信系統(tǒng)中，到達(dá)接收機(jī)的射頻信號電平多在微伏數(shù)量級。因此，需要將微弱的射頻信號進(jìn)行放大。射頻小信號放大器電路是無線通信接收機(jī)的重要組成部分。對于射頻小信號放大器電路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/輸出阻抗的匹配，輸入/輸出之間良好的隔離。在移動通信設(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，甚至是矛盾的，在設(shè)計(jì)中如何采用折中的原則，兼顧各項(xiàng)指標(biāo)，是很重要的。

2.1.1增益增益是表示放大器對有用信號的放大能力，定義為放大器的輸出信號與輸入信號的比值。對于選頻放大器電路，通常用在中心頻率f0（或者0）上電壓增益和功率增益兩種方法表示：電壓增益（2.1.1）功率增益（2.1.2）式中，uo、ui分別為放大器中心頻率上輸出、輸入的電壓有效值；Po、Pi分別為放大器中心頻率的輸出、輸入功率，通常用分貝表示。射頻小信號放大器電路的增益要適中，過大會使下級混頻器的輸入太大，產(chǎn)生失真。太小不利于抑制后面各級的噪聲對系統(tǒng)的影響。射頻小信號放大器電路的增益與器件的技術(shù)特性、工作狀態(tài)和負(fù)載有關(guān)，需要選擇合適的工作頻率、電流偏置、輸入/輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。一般要求電路的增益是可控制的，改變放大器的工作點(diǎn)，改變放大器的負(fù)反饋量，改變放大器諧振回路的Q值等參數(shù)可以控制電路的增益，通常采用自動增益控制電路實(shí)現(xiàn)。2.1.2通頻帶為保證頻帶信號無失真地通過放大器電路，要求其增益頻率響應(yīng)特性必須有與信號帶寬相適應(yīng)的平坦寬度。通頻帶定義為放大器的增益下降3dB時的上限截止頻率與下限截止頻率之差，即放大器電路電壓增益頻率響應(yīng)特性由最大值下降3dB時，對應(yīng)的頻帶寬度，為放大電路的通頻帶。通常以BW0.7表示，如圖2.1.1所示。圖2.1.1選頻放大器的幅頻特性2.1.3選擇性選擇性表示放大器對通頻帶以外的干擾信號的濾除能力，即指對通頻帶之外干擾信號的衰減抑制能力。選擇性有兩種描述方法：一是用矩形系數(shù)來說明鄰近信道選擇性的好壞；二是用抑制比（或稱抗拒比）來說明對帶外某一特定干擾頻率fN信號的抑制能力的大小。矩形系數(shù)用K0.1來表示，其定義為（2.1.3）式中，BW0.1是增益下降到最大值的0.1倍時的頻帶寬度。BW0.1和BW0.7之間的頻率范圍稱為過渡帶。K0.1間接反映了過渡帶與通頻帶的頻寬比。K0.1越小，過渡帶越窄，選擇性越好。理想情況的K0.1等于1，實(shí)際的K0.1總是大于1。

在工程中，放大器的帶寬范圍往往被通信系統(tǒng)預(yù)先確定。因此，對于滿足帶寬要求的選頻放大電路來說，可以采用S參數(shù)的方法來表示圖2.1.1（b）的選擇性。S參數(shù)定義為：過渡帶內(nèi)的某特定頻率條件下的增益A(1)與通頻帶內(nèi)的最大增益A0的比值，即（2.1.4）顯然，S值越小的電路選擇性越好。若選用諧振回路作為選頻電路時，過渡帶的寬窄與諧振回路Q有直接的關(guān)系，Q越大過渡帶越小，電路的選擇性越好。放大電路的通頻帶與選擇性是相互制約的，即通頻帶大必然使選擇性差。抑制比用表示，其定義為（2.1.5）式中，是中心頻率上的功率增益；是某一特定干擾頻率上的功率增益。抑制比用分貝表示則為（2.1.6）2.1.4線性范圍線性范圍主要由1dB壓縮點(diǎn)和三階互調(diào)截點(diǎn)IP3來度量。在射頻小信號放大器電路中，器件的跨導(dǎo)隨輸入信號幅度的增加而減少，此現(xiàn)象稱為增益壓縮。對應(yīng)于輸入信號幅度值Uin，增益比線性放大增益下降1dB的那一點(diǎn)稱為1dB壓縮點(diǎn)，如圖2.1.2所示。1dB壓縮點(diǎn)常用來度量放大器的線性特性。圖2.1.2放大器的1dB壓縮點(diǎn)當(dāng)兩個頻率接近的信號輸入到射頻小信號放大器時，由于器件的非線性會產(chǎn)生許多組合頻率分量，這些組合頻率分量有可能落在放大器頻帶內(nèi)，即在放大器頻帶內(nèi)的頻率分量除了基波外，還可能有組合頻率221和212。這些組合頻率分量形成對有用信號的干擾。這種干擾并不是由兩輸入信號的諧波產(chǎn)生，而是由這兩個輸入信號的相互調(diào)制（相乘）引起的，所以稱為互調(diào)（Intermodulation，IM）失真。由非線性器件的三次方項(xiàng)引起的互調(diào)失真稱為三階互調(diào)失真，由五次方互調(diào)失真引起的互調(diào)失真稱為五階互調(diào)失真。可以在互調(diào)失真比和三階互調(diào)截點(diǎn)兩個指標(biāo)中選一個來衡量放大器的互調(diào)失真程度。更常用“三階截點(diǎn)IP3”（Third-orderinterceptpoint）來說明三階互調(diào)失真的程度。三階互調(diào)截點(diǎn)IP3定義為三階互調(diào)功率達(dá)到和基波功率相等的點(diǎn)，此點(diǎn)所對應(yīng)的輸入功率表示為IIP3，此點(diǎn)對應(yīng)的輸出功率表示為OIP3（一般在放大器中常用OIP3作為參考，在混頻器中常用IIP3作為參考）。

輸出有用功率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的三次方成正比。三階互調(diào)截點(diǎn)IP3示意圖如圖2.1.3（a）所示，它們的相交點(diǎn)即為三階截點(diǎn)IP3。用對數(shù)坐標(biāo)方程表示為（2.1.7）式中，為放大器的功率增益；Pi為放大器的輸入功率；為放大器的3階互調(diào)功率增益；Po1為基波功率；Po3為3階互調(diào)功率。

圖2.1.3三階互調(diào)截點(diǎn)IP3示意圖在以對數(shù)形式表示的坐標(biāo)上，它們是兩條直線，如圖2.1.3（b）所示，圖中分別標(biāo)出了IIP3和OIP3的值。

圖2.1.3三階互調(diào)截點(diǎn)IP3示意圖

在討論射頻小信號放大器電路中的線性范圍時要注意三個問題：一是線性范圍和器件有關(guān)，場效應(yīng)管由于是平方律特性，因此它的線性要比雙極型晶體管好；二是和電路結(jié)構(gòu)有關(guān)，例如加負(fù)反饋、單管放大改為差分放大等均能改善線性范圍；第三，輸入端的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)也會影響放大器的線性范圍。射頻小信號放大器電路與其信號源的匹配是很重要的。放大器與源的匹配有兩種方式：一是以獲得噪聲系數(shù)最小為目的的噪聲匹配，二是以獲得最大功率傳輸和最小反射損耗為目的的共軛匹配。一般來說，現(xiàn)在絕大多數(shù)的射頻小信號放大器均采用后一種匹配方法，這樣可以避免不匹配而引起射頻小信號放大器向天線的能量反射，同時，力求兩種匹配接近。匹配網(wǎng)絡(luò)可以用純電阻網(wǎng)絡(luò)，也可以用電抗網(wǎng)絡(luò)。電阻匹配網(wǎng)絡(luò)適合于寬帶放大，但它們要消耗功率，并增加噪聲。采用無損耗的電抗匹配網(wǎng)絡(luò)不會增加噪聲，但只適合窄帶放大。2.1.5隔離度和穩(wěn)定性增大射頻小信號放大器的反向隔離可以減少本振信號從混頻器向天線的泄漏程度。在超外差式接收機(jī)中，由于射頻小信號放大器和混頻器間一般接有抑制鏡像干擾的濾波器，且第一中頻的數(shù)值較高，本振信號頻率位于濾波器通帶以外，因此本振信號向天線的泄漏比較小。但在零中頻方案中，本振信號泄漏則完全取決于射頻小信號放大器的隔離性能。同時，射頻小信號放大器的反向隔離度好，可減少輸出負(fù)載變化對輸入阻抗的影響，簡化其輸入、輸出端的匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試。引起反向傳輸?shù)脑蛟谟谄骷O間的極間電容及電路中寄生參數(shù)的影響，它們也是造成放大器不穩(wěn)定的原因。例如會在某些頻率點(diǎn)上，由于源阻抗和負(fù)載阻抗的不恰當(dāng)組合，變成正反饋，引起不穩(wěn)定，甚至振蕩。放大器的穩(wěn)定性是隨著反向傳輸?shù)臏p少，即隔離性能的增加而改善的。當(dāng)放大電路的工作狀態(tài)（如偏置）、交流參數(shù)，以及其他電路元件參數(shù)發(fā)生變化時，放大器的主要性能會發(fā)生變化，造成不穩(wěn)定現(xiàn)象。不穩(wěn)定現(xiàn)象表現(xiàn)在增益變化、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，可致使放大器完全不能工作。一般來說，可以采用穩(wěn)定工作點(diǎn)、限制放大器的增益、選擇內(nèi)反饋小的放大元器件等方法來解決穩(wěn)定性問題。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。2.1.6噪聲系數(shù)射頻小信號放大器的輸出噪聲來