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射頻工程師需要掌握的射頻電路設(shè)計(jì)中的射頻有源器件知識

LNA，PA，混頻器。

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本文幫助您了解RF（射頻）系統(tǒng)中使用的有源組件。

與無源組件一樣，RF（射頻）電路中使用的有源元件與通常在低頻模擬系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的有源元件具有許多類似的特性。

但是，某些有源器件是RF（射頻）系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的特有組件。

此外，通常采用不同的半導(dǎo)體技術(shù)來確保RF（射頻）組件在非常高的頻率下能夠保持足夠高的性能。

放大器（Aplifiers）

通常在低頻和高頻模擬設(shè)計(jì)中圍繞運(yùn)算放大器構(gòu)建的放大器電路是極為常見。

而在射頻（RF）系統(tǒng)中，有兩種基本類型的放大器：功率放大器（Power Amplifiers）和低噪聲放大器（Low-noise amplifiers）。

前者用于在發(fā)射之前增加RF（射頻）信號的功率電平，而后者則用于放大天線接收到的（通常很小的）信號。

圖、放大器（Aplifiers）的電路符號

功率放大器（Power Amplifiers）

功率放大器（Power Amplifiers）或PA用于在信號發(fā)送到天線之前增加其功率電平。

在音頻電路中也發(fā)現(xiàn)了類似的情況：音頻信號的振幅就電壓而言可能是完全合適的，但是需要功率放大器向揚(yáng)聲器線圈提供大量電流。

在音頻中，更多的電流對應(yīng)于更多的功率，而這又對應(yīng)于更大的音量。

在射頻中，更高的功率意味著更遠(yuǎn)的覆蓋范圍。

低噪聲放大器（Low-Noise Amplifiers）

有許多非射頻（RF）應(yīng)用也需要低噪聲放大，但是特定短語“低噪聲放大器（Low-Noise Amplifiers）”僅在射頻（RF）應(yīng)用中才很常見。

實(shí)際上，射頻工程師通常會聽到這個(gè)術(shù)語的縮寫形式，即LNA。

天線傳送的接收信號的幅度可能非常低，此外，它還會被掩埋在噪聲中。

該信號需要放大以進(jìn)行進(jìn)一步處理，但是在這個(gè)過程中確保最小化信噪比的進(jìn)一步惡化量也很重要。

因此，低噪聲放大器（Low-Noise Amplifiers）被設(shè)計(jì)為在產(chǎn)生最小噪聲的同時(shí)提供高電壓增益。

LNA的噪聲性能通過“噪聲系數(shù)”（NF）進(jìn)行量化，該噪聲系數(shù)對應(yīng)于放大器產(chǎn)生的SNR衰減量（以dB為單位）。

因此，理想放大器的NF = 0 dB，但是隨著噪聲性能的降低，NF也會增加。

混頻器（Mixers）

另一個(gè)基本的RF（射頻）有源組件是混頻器（Mixers）。

這個(gè)名字可能會引起誤解： RF（射頻）混頻器（Mixers）不會像音頻混頻器那樣合并信號。

而是，RF混頻器采用兩個(gè)輸入頻率，并通過乘法生成第三個(gè)輸出頻率。

換句話說，射頻混頻器（Mixers）執(zhí)行的是頻率轉(zhuǎn)換。

圖、射頻混頻器（Mixers）的符號

射頻混頻器（Mixers）允許以系統(tǒng)以保持信號細(xì)節(jié)的方式將信號移至更高或更低的頻率。

例如，可以將攜帶信息的（即已調(diào)制的）基帶信號移至適合于無線傳輸?shù)妮^高頻率上，并且所發(fā)送的信號將保留基帶信號中存在的重要調(diào)制細(xì)節(jié)。

鎖相環(huán)（Phase-Locked Loops）

周期信號的實(shí)際生成與無源組件領(lǐng)域更緊密相關(guān)，但是有源組件用于控制這些周期信號。

鎖相環(huán)（PLL）實(shí)際上是一個(gè)由多個(gè)子組件組成的系統(tǒng)---它至少包括一個(gè)鑒相器，一個(gè)低通濾波器，一個(gè)壓控振蕩器（VCO）和一個(gè)分頻器-允許 從一個(gè)輸入頻率中生成多種輸出頻率。

圖、鎖相環(huán)（Phase-Locked Loops）的基本組成框圖

將PLL（鎖相環(huán)）與高精度溫度補(bǔ)償振蕩器結(jié)合使用，可以將高精度但固定的參考頻率轉(zhuǎn)換為可以產(chǎn)生高精度但可變輸出頻率的系統(tǒng)。

結(jié)合PLL的振蕩器稱為頻率合成器（synthesizer），即可以生成一定范圍頻率的組件。

調(diào)節(jié)振蕩器頻率的能力在RF（射頻）設(shè)計(jì)中非常重要。

特定系統(tǒng)可能需要在不同的信道上運(yùn)行以避免相互干擾，因此振蕩電路必須相對于頻率可調(diào)。

此外，相鄰信道之間的頻率間隔可能相對較小，因此調(diào)整必須精確控制。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（Data Converters）

盡管數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（Data Converters）在RF（射頻）工程的歷史中不是標(biāo)準(zhǔn)的射頻組件，但重要的是要認(rèn)識到，在許多RF（射頻）系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）越來越重要。

ADC和DAC使RF（射頻）系統(tǒng)可以受益于數(shù)字信號處理技術(shù)所提供的特殊功能，以及與基于軟件的解決方案相關(guān)的一般靈活性和便利性。

術(shù)語“軟件定義的無線電”（SDR，software-defined radio）是指依靠軟件來實(shí)現(xiàn)RF（射頻）信號鏈重要部分的無線通信系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（Data Converters）是此類系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件-例如，可以使用DAC直接生成基帶波形，或者可以使用ADC將接收到的基帶波形數(shù)字化（隨后在數(shù)字信號處理器中進(jìn)行進(jìn)一步分析）。

圖、SDR接收路徑的示例圖示

SDR可能會帶來額外的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，但它們也提供了在某些應(yīng)用中特別有價(jià)值的靈活性優(yōu)勢。

射頻半導(dǎo)體

硅仍然是半導(dǎo)體制造中的主要材料。

但是，其他材料與RF系統(tǒng)中存在的高頻率信號更兼容。

RF半導(dǎo)體中使用的三種替代硅的半導(dǎo)體材料是氮化鎵（GaN），砷化鎵（GaAs）和硅鍺（SiGe）。

專門的半導(dǎo)體技術(shù)使得可以制造在極高的頻率（即100 GHz以上）下保持足夠性能的器件。

RFIC 內(nèi)部

與低頻設(shè)備一樣，RF集成電路（RFIC）中的基本有源組件是晶體管。

但是，到目前為止，我們已經(jīng)使用“組件（component）”一詞來指可能由眾多晶體管組成的器件。

重要的是要了解其合理性：設(shè)計(jì)高性能，高頻RF組件極具挑戰(zhàn)性，并且不在許多RF（射頻）工程師的技能范圍之內(nèi)。

實(shí)際的RF（射頻）工程項(xiàng)目和工程師著重于將這些組件組合到功能電路中，然后處理出現(xiàn)的各種復(fù)雜問題。

總結(jié)

1、用于RF（射頻）系統(tǒng)的有源組件可以提供專門的功能，或者可以提供標(biāo)準(zhǔn)功能，但具有在更高的高頻頻率下保持性能的能力。

2、RF（射頻）放大器通常分為功率放大器（PA）或低噪聲放大器（LNA）。

前者提供功率增益以準(zhǔn)備傳輸和發(fā)射，而后者則提供高電壓增益和低噪聲系數(shù)。

3、射頻混頻器通過將兩個(gè)輸入信號相乘來執(zhí)行頻率轉(zhuǎn)換。

4、鎖相環(huán)（PLL）可以與振蕩器組合以變成頻率合成器（frequency synthesizer）。

5、ADC和DAC是某些RF（射頻）設(shè)備中的重要組件。

它們在現(xiàn)代無線系統(tǒng)中越來越普遍，并且在軟件定義的無線電中必不可少。

6、SiGe，GaAs和GaN是專用半導(dǎo)體材料，在高性能RF（射頻）應(yīng)用中性能優(yōu)于硅。