使用匹配技术实现的中频放大电路.doc

中低频放大电路采用匹配技术设计的专用中频三极管放大电路 作者：郭标 指导、审核：孙老师随着电子通信行业的高速发展，通信系统对部件及单元电路的集成度要求不断提高，于是电子工程师们广泛采用集成放大管作为中低频放大器使用在通信系统中，如中频放大器电路、大功耗放大管推动级电路等。然而在使用通用化的小功耗集成放大管时，一是高性能的要求带来的高成本，二是通用性的制作带来的低效率都会对系统的设计造成不利的影响。另外，在一些特定的应用场合下，级联使用中，各级的端口反射很容易使这些放大管自激，在集成放大管外围改动以消除自激又将带来其它指标的恶化。采用匹配技术设计的三极管放大电路，就是在基本的放大模式下，有效利用负反馈和不同形式的负载网络及输入、输出匹配网络，可以有选择地对电路中相互影响的指标进行优选设计。图1（1）为基本的共发射级形式的放大电路的形式，其偏置电路最简单，但选择性差、增益低、工作点的温度特性差及稳定性差等缺点，不能使用。在集电极串 图1 三种放大电路接高Q值电感，并在发射极串接电容和电阻并联电路即可改善选择性和稳定性。为了在通信中使用，对频率具有一定的选择性，可以使用并联负载型电路（图1（2）。在集电极与基极之间加上串联谐振反馈也可改善稳定性和谐波抑制特性。为了提高电路的温度稳定性，可以在发射极串接电阻补偿。这样，并联谐振回路对直流呈现通路，对中心频率呈现高阻（谐振点理想值为无穷大），选择性大大提高，带外频率的抑制也将有所改善。这种电路形式非常灵活，调节串联反馈深度即可实现增益的调节，而微调串反馈的电阻值就能实现简单的反馈深度的调节。实验证明，并联负载中的谐振电容如果直接接地（图1（2）是接电源，间接接地），放大电路对谐波及高频的抑制就有明显的改善，于是串联反馈在电路中就成为多余，见图1（3）的电路。这样的频率选择网络不仅能实现最大输出IP3、较好的选择性（实际上往往不得不使用低Q值得电感来有意恶化电路的选择性以改善选择频带内的波动）、最优的带外抑制，还大大简化了输出匹配的设计。在实际应用中，PCB板布线简单，与集成放大管相当，而对增益、IP3、波动可以有选择的优化，输入输出匹配一致性好，可以推广使用。下面考虑一下匹配电路的设计。对于图1所示的三种电路形式，其输入输出阻抗特性随着三极管本身的阻抗特性不同而呈现容性或感性。假设系统采用50的特性阻抗，只要将电路输入阻抗（R）和输出阻抗（R）匹配到50就能满足最大功率传输。条件允许的情况下，在PCB布板时完全可以采用微带线匹配；不过当放大电路端口阻抗比较接近0时，要求微带匹配线的尺寸较大，一般不能采用。其实直接用小封装的集总参数器件匹配就能满足阻抗转换，电路性能也不会恶化，且方便设计更改。例如端口阻抗特性如图2，采用T型网络匹配设计如图3所示。 图2 端口匹配图 图3 T型匹配下面是采用三极管AT41586（Agilent公司）设计的性能不同的两种放大电路。图4（1）形式的放大电路（串联反馈型）具有优越的输出平坦度，图4（2）形式的放大电路（输出匹配型）具有良好的选择性。图4为了与图4（2）电路性能进行比较，先列出电路（1）的一些特性如下：1、工作频率：140MHz2、工作状态：Ic = 30 mA , Vce = 8 V 。3、增益：25dB（可调）4、IP3 = 24 dBm.（输入功率-25dBm）, P-1=13.1dBm.5、波动：见图5。6、稳定性：稳定系数大于1（约1.3）。a、串联反馈的使用提高了稳定性；b、发射极接地的反馈电容容值调节，可以改善稳定性，可以和串联反馈电路结合考虑。7、温度特性：在 +75度-40度工作稳定，增益变化 0.3 dB。8、反向特性：S12 -29.4dB.(输入-10dBm) 图5 放大电路输出特性图4电路（2）中，集电极串联的39nH的电感Q值对电路的选择性有决定性影响，电路中使用的是高Q值的磁芯绕线电感，为了保证电路在选择频率附近较宽带宽内有较好的平坦度，在电感上并联电阻以减弱选择性，这样也带来一些不利的影响，例如相同条件下输出IP3降低，这种影响是不可避免的。在实际应用中，追求各项指标都最高的电路只是一种浪费，用最低的成本做出最适合的电路才是最优化的设计。比如在载波选频的设计中，中频不需要在宽带内有很好的波动，这样在设计时就可以多考虑使用些低成本等放大管。图4（2）在以下性能方面优化了：1、 输出IP3=25dBm2、 增益G=27.5dB3、 S-35dB,S-19dB.4、 仿真结果表明电路稳定性也有所改善。图5给出使用FR-4基材制作的双面PCB板图。考虑功耗的大小不同，器件封装也有不同要求。图5 140MHz放大电路为了体现该电路的频率选择性，最后在附图里给出同样形式的120MHz 和246MHz 的放大电路及性能表。附： （1）120MHz放大电路 （2）246MHz放大电路（3）性能表：测试项目测试条件性能单位工作电流9V供电电压27 5mA工作频率可用频点120，140，246MHz增益S120MHz: 291140MHz: 27.51246MHz: 25.51dB输出IP3中心频点1 MHz