浅谈五类放大器的基本特性

放大器是当今RF/IF信号链中功能最多样的构建模块之一。设计中广泛使用放大器来解决无源器件或元件引起的信号损耗问题。整个收发器都需要RF放大器来提高信号强度。在接收器中，放大器放大微弱的输入信号；在发射器中，当信号接近最终功率放大器级时，放大器则用来提高信号强度。由于整个RF/IF信号链都会发生这种损耗，因此ADI公司针对各特定无线电部分的需要，开发了五个系列的放大器，分别是：LNA(低噪声放大器)、IFA(中频放大器)、驱动器放大器、增益模块和VGA(可变增益放大器)。

虽然各放大器系列针对某些应用进行了优化，但所有放大器都有一些共同的特性需要在设计阶段予以考虑。每个放大器都会提供一定的增益，增益随频率的变化是一个重要考虑因素。在较高频率时，放大器的增益一般会降低，进而可能需要在信号链的其它地方予以补偿。数据手册中的丰富信息也有助于加快设计过程。借助特性随温度、电源电压和工作频率的变化等数据，设计人员可以减少验证所需时间，从而大大缩短项目的上市时间。另一个需要考虑的特性是放大器的ESD额定值。ESD额定值与器件能够承受而不会受到损坏的静电放电量有关。ADI公司的宽带匹配IFA和增益模块经过优化，增益随频率的滚降被降至最小，而且所有放大器都能在整个温度、电源电压和频率范围内提供额定性能，因此产品选型和设计导入过程得以简化。此外，ADI公司的放大器额定性能达到了最高ESD标准，在大规模制造环境中稳定可靠。

当今无线电设计的一个普遍趋势是尺寸更小且功耗更低，所需的电路板空间和散热量因此也更少，有助于降低成本。ADI公司的放大器致力于提高效率，以业界最低的功耗提供业界领先的性能。这些放大器不仅提供标准SOT-89封装，而且提供更小、更紧凑的LFCSP封装，以便节省电路板面积。ADI公司围绕增益模块放大器集成了其它功能：ADL5240 VGA中集成一个数字步进衰减器(DSA)，ADL5243 VGA除了包含上述两个功能外，还集成一个1/4W驱动器放大器。整个IFA系列和增益模块均内部匹配50 Ω电阻，并且所有放大器均集成有源偏置电路，只需极少的外部器件，从而进一步节省电路板空间。

低噪声放大器

现在我们将详细讨论第一类放大器——低噪声放大器(LNA)。LNA通常用作接收路径中的第一个有源元件。它是界定系统总体性能的关键元件，必须能在不显著增加噪声的情况下成功放大极低的电平信号。选择LNA时需要考虑的一个重要特性是噪声系数，该系数与放大器增加到输入信号中的噪声量有关。P1dB和OIP3也很重要，前者与放大器可以输出的线性信号功率量有关，后者与功率处理能力，即放大器能够处理而不会受到损害的输入功率量有关。ADI公司ADL5521和ADL5523 LNA的上述所有参数均很出色，实现了1dB以下的噪声系数、21dBm P1dB、37dBm OIP3和20dBm的输入功率处理能力。

中频放大器

中频放大器设计用于实现IF频率范围(无线电架构中通常低于500MHz)内的高性能操作。接收器的IF部分需要高动态范围放大，否则信号将在模数转换器(ADC)进行数字化处理之前发生失真。放大器要实现高动态范围，必须同时具有低噪声系数和高OIP3。ADI公司的ADL5535和ADL5536 IFA提供业界最佳的低噪声系数与高OIP3组合。ADL5535在380MHz时提供16dB增益、3.3dB噪声系数和45.5dBm OIP3，采用5V电源供电时功耗仅97mA。ADL5536在380MHz时提供20dB增益、2.7dB噪声系数和49dBm OIP3，采用5V电源供电时功耗仅105mA。


图1：ADI IFA具有高线性度、低噪声系数、平坦增益和低功耗特性。

驱动器放大器

驱动放大器一般用在无线电架构的发射路径中，用于在将信号发送至最终高功率放大器级之前提高信号强度。为了有效完成这一任务，驱动器需要针对给定输出功率提供高线性度，以便实现低失真、高输出驱动能力。ADI公司的ADL5320(0.4-2.7GHz)和ADL5321(2.3-4GHz) SOT-89 1/4W驱动器支持宽带操作，对于选定的工作频段，只需极少的外部匹配元件。ADL5320在2.14GHz时的输出线性度为42dBm，输出压缩点为25.7dBm，采用5V电源供电时功耗仅104mA。ADL5321在2.6GHz时的输出线性度为41dBm，输出压缩点为25.7dBm，采用5V电源供电时功耗仅90mA。如果需要更高的P1dB，ADI公司的新产品ADL5324 SOT-89 1/2W驱动器集成了动态可调偏置电路，无需外部偏置电阻即可在3.3V至5V范围内定制OIP3和P1dB性能。此特性使设计人员可以针对具体设计需要量身定制驱动器放大器性能。可调偏置还支持动态偏置驱动器，从而在不需要驱动放大器发挥最高性能时节省功耗，例如系统处于待机模式时。这一可扩展性减少了评估需要，也不必针对不同输出功率要求(25dBm至29dBm输出功率电平)预备多个驱动器放大器。ADL5324还具有-40°C至+105°C的宽工作温度范围，为功率放大器等承受较高温度的设计提供了可靠性能。同时这款1/2W驱动器放大器覆盖400MHz至4,000MHz的宽频率范围，仅需几个外部元件就能调谐至该范围内的具体频段。ADL5324 GaAs HBT 1/2W驱动器放大器功耗业界最低(5V电源时仅133mA)，并提供同类最佳的性能：43.1dBm OIP3、29.1dBm P1dB、14.6dB增益、3.8dB噪声系数(2140MHz时)。当偏置电压降至3.3V时，该驱动器功耗仅为62mA，性能如下：34.4dBm OIP3、25.3dBm P1dB、13.6dB增益、3.2dB噪声系数(2140MHz时)。如需更高的P1dB，可考虑单级1W放大器ADL5604 (0.7-2.7GHz)以及更高增益的双级1W放大器ADL5605(0.4-1.0GHz)和ADL5606(1.8-2.7GHz)，这些放大器在其调谐频率范围内可提供极为平坦的增益和非常高的输出三阶交调截点(OIP3)特性。ADL5605提供极其平坦的23dB增益、31.1dBm的P1dB、44.3dBm的OIP3和4.8dB的噪声系数(943MHz时)。ADL5606提供极其平坦的23.8dB增益、30.7dBm的P1dB、45.7dBm的OIP3和4.8dB的噪声系数(2140MHz时)。


图2: 业界首款具有动态可调偏置特性和扩展温度范围的1/2W驱动器放大器。

增益模块

增益模块是最灵活的放大器系列，因为它能在IF到RF的宽频率范围内提供固定的增益。选择增益模块时需要考虑的特性取决于其实际应用，不过在宽带应用中，增益平坦度与频率的关系很重要。为防止信号因为放大而发生失真，动态范围也很重要。在现有的内部匹配增益模块中，ADI公司ADL5601和ADL5602提供的动态范围最高。这一性能是在整个4GHz频率范围内，通过同时提供极低的噪声系数和非常高的OIP3特性而实现的。ADL5601在900MHz时提供15dB增益、43dBm的OIP3和3.7dB的噪声系数，功耗仅83mA。ADL5602在2GHz时提供20dB增益、42dBm的OIP3和3.3dB的噪声系数，功耗仅89mA。这些内部匹配的增益模块还经过优化，增益随频率的滚降被降至最小。二者均支持Class 1C(±1.5kV) ESD保护，采用工业标准SOT-89封装，易于在当前设计中直接使用和评估。ADL5541和ADL5542是宽带增益模块，在低频至6 GHz范围内工作，提供小尺寸LFCSP封装。

RF/IF可变增益放大器

许多应用都希望通过集成来减少电路板空间。VGA通过集成各种放大器拓扑和数字步进衰减器(DSA)来满足这一要求。ADL5240和ADL5243 RF/IF数控式VGA的工作频率范围为100MHz至4,000MHz，具有无与伦比的增益控制性能和精度。ADL5240 VGA采用GaAs技术设计，将DSA与增益模块集成于单片IC中，而ADL5243则在单片IC中集成DSA、增益模块和宽带1/4W驱动器放大器，且没有损失任何性能。放大器或DSA都可以作为信号链路上的第一个器件，并允许在设计中多处使用VGA，使系统具有最大的灵活性。每个VGA中的DSA能提供31.5dB的增益控制范围，步进为0.5dB，支持串行和并行接口模式，同时各VGA中的增益模块具有40dBm以上的高线性度，900MHz时的噪声系数为2.9。ADL5243的?W驱动器提供业界领先的42.0dBm线性度性能，2.14GHz时的P1dB达到25.7dBm，极为出色。


图3：ADI公司的RF/IF VGA集成高性能放大器和数字步进衰减器，与分立解决方案相比，电路板空间得到大幅节省。

ADI公司通过多种方式改善RF设计：创新的电路设计、简化的调谐要求以及详细的数据手册信息。这些均有助于RF设计人员设计出满足自身需求的解决方案，让尺寸更小、功耗更低的系统快速上市。