射频放大器的应用类型有哪些？都具有哪些特点？

射频放大器可分为高增益放大器、低噪声放大器、中-高功率放大器。放大器电路的核心是微波晶体管。射频功率放大器(RF PA)是各种无线发射机的重要组成部分。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。

射频功率放大器的工作频率很高，但相对频带较窄，射频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。射频功率放大器可以按照电流导通角的不同，分为甲(A)、乙(B)、丙(C)三类工作状态。甲类放大器电流的导通角为360°，适用于小信号低功率放大，乙类放大器电流的导通角等于180°，丙类放大器电流的导通角则小于180°。乙类和丙类都适用于大功率工作状态，丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类，但丙类放大器的电流波形失真太大，只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。

问题：

如何选择合适的射频放大器，不同射频放大器之间有何区别?

答案：

为具体应用选择合适的射频放大器时，应考虑增益、噪声、带宽和效率等特性。

本文将评述最常用的射频放大器，并说明增益、噪声、带宽、效率和各种功能特性如何影响不同应用的放大器选择。

射频放大器有多种类型和形式，旨在满足不同的应用场景。然而，为目标应用选择合适的射频放大器时，种类如此繁多的射频放大器使得这项工作变得并不轻松。虽然几乎所有射频放大器的关键特性都是其增益，但这并不是选择合适的器件所要考虑的唯一参数，很多时候甚至也不是最重要的参数。

增益表明放大器可以为信号提供多大的提升，由输出功率与输入功率之比(以dB为单位)表示。它一般针对放大器的线性模式(即输出功率的变化与输入功率的相应变化呈线性关系)进行规定(参见图1)。如果继续提高射频放大器的输入信号的功率水平，器件将开始进入非线性模式，并产生杂散频率分量。这些干扰分量包括谐波和交调产物(参见图2中的HD2、HD3、IMD2和IMD3)，代表了射频放大器输出端出现的交调失真(IMD)。射频放大器处理不同输入功率水平而不引入显著失真的能力反映了其线性度性能，这可以用不同参数来表示(参见图1)，包括：

输出1 dB压缩点(OP1dB)，其定义了系统增益降低1 dB时的输出功率。

饱和输出功率(PSAT)，即当输入功率变化不再改变输出功率时的输出功率。

2阶交调点(IP2)和3阶交调点(IP3)，它们是输入(IIP2、IIP3)和输出(OIP2、OIP3)信号功率水平的假设点，在这些点上，相应杂散分量的功率将达到与基波分量相同的水平。

尽管增益描述了射频放大器的关键功能，但线性度和其他特性在决定射频放大器选择方面起着重要作用。事实上，射频放大器类型的选择总是涉及不同设计参数之间的权衡。下面是为目标用例选择正确类型的射频放大器的简短指南。

低噪声放大器

低噪声放大器(LNA)常常用于接收器应用中，用于放大与天线接口的信号链前端的微弱信号。该类型射频放大器经过优化，在执行此功能时向信号引入的噪声极小。在信号链的前面几级，噪声最小化尤为重要，因为这些级对整个系统的总噪声系数的影响最大。

低相位噪声放大器

低相位噪声放大器的额外相位噪声极小，因而它们非常适合需要高信号完整性的射频信号链。相位噪声是近载波噪声，表现为抖动，其特征是信号的相位在时域中有微小波动。因此，低相位噪声放大器非常适合与高速时钟和LO网络中的高性能PLL频率合成器结合使用。

功率放大器

功率放大器(PA)针对功率处理性能进行了优化，适用于旨在提供高功率的应用，如发射器系统等。这些放大器通常具有高OP1dB或PSAT特性，并提供高效率，从而可以保持低散热。

高线性度放大器

高线性度放大器用于在很宽的输入功率范围内以极低的杂散水平提供高3阶交调点。这种类型的器件是使用复数调制信号的通信应用的常见选择，此类应用要求射频放大器能够以极小的信号失真处理高波峰因数，从而保持低误码率。

可变增益放大器

可变增益放大器(VGA)用于需要通过灵活的增益调节来适应信号电平变化的应用。VGA通过提供可调增益来实现此功能，增益既可利用数字控制的VGA以数字方式逐步改变，也可利用模拟控制的VGA连续改变。此类放大器常常用于自动增益控制(AGC)，以及用于补偿其他元器件的温度或特性变化所导致的增益漂移。

宽带放大器

宽带放大器能在很宽的频率范围(通常涵盖数个倍频程)内提供中等增益，多重宽带应用得益于此。这些放大器提供大增益带宽积，其代价通常是效率和噪声性能平庸。

增益模块

其他通用射频应用也可以依靠增益模块，后者代表了广泛的射频放大器类别，可以涵盖各种频率、带宽、增益和输出功率水平。这些放大器通常提供平坦的增益响应和良好的回波损耗。其设计常常包含匹配和偏置电路，因而只需极少的外部元件便可集成到信号链中，工作得以简化。

一、射频放大器的分类

根据工作状态的不同，功率放大器分类如下：

传统线性功率放大器的工作频率很高，但相对频带较窄，射频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。射频功率放大器可以按照电流导通角的不同，分为甲(A)、乙(B)、丙(C)三类工作状态。

甲类放大器电流的导通角为360°，适用于小信号低功率放大

乙类放大器电流的导通角等于180°

丙类放大器电流的导通角则小于180°

乙类和丙类都适用于大功率工作状态，丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类，但丙类放大器的电流波形失真太大，只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。

开关型功率放大器(Switching Mode PA,SMPA)，使电子器件工作于开关状态，常见的有丁(D)类放大器和戊(E)类放大器，丁类放大器的效率高于丙类放大器。

SMPA将有源晶体管驱动为开关模式，晶体管的工作状态要么是开，要么是关，其电压和电流的时域波形不存在交叠现象，所以是直流功耗为零，理想的效率能达到100%。

传统线性功率放大器具有较高的增益和线性度但效率低，而开关型功率放大器具有很高的效率和高输出功率，但线性度差。具体见下表：

二、射频放大器的电路组成

射频放大器有不同类型，简化之，放大器的电路可以由以下几个部分组成：晶体管、偏置及稳定电路、输入输出匹配电路。

1、晶体管

晶体管有很多种，包括当前还有多种结构的晶体管被发明出来。本质上，晶体管的工作都是表现为一个受控的电流源或电压源，其工作机制是将不含内容的直流的能量转化为“有用的”输出。直流能量乃是从外界获得，晶体管加以消耗，并转化成有用的成分。

不同的晶体管不同的“能力”，比如其承受功率的能力有区别，这也是因为其能获取的直流能量的能力不同所致;比如其反应速度不同，这决定它能工作在多宽多高的频带上;比如其面向输入、输出端的阻抗不同，及对外的反应能力不同，这决定了给它匹配的难易程度。

2、偏置电路及稳定电路

偏置和稳定电路是两种不同的电路，但因为他们往往很难区分，且设计目标趋同，所以可以放在一起讨论。

晶体管的工作需要在一定的偏置条件下，我们称之为静态工作点。这是晶体管立足的根本，是它自身的“定位”。每个晶体管都给自己进行了一定的定位，其定位不同将决定了它自身的工作模式，在不同的定位上也存在着不同的性能表现。有些定位点上起伏较小，适合于小信号工作;有些定位点上起伏较大，适合于大功率输出;有些定位点上索取较少，释放纯粹，适合于低噪声工作;有些定位点，晶体管总是在饱和和截至之间徘徊，处于开关状态。一个恰当的偏置点，是正常工作的础。在设计宽带功率放大器时，或工作频率较高时，偏置电路对电路性能影响较大，此时应把偏置电路作为匹配电路的一部分考虑。

偏置网络有两大类型，无源网络和有源网络。无源网络(即自偏置网络)通常由电阻网络组成，为晶体管提供合适的工作电压和电流。它的主要缺陷是对晶体管的参数变化十分敏感，并且温度稳定性较差。有源偏置网络能改善静态工作点的稳定性，还能提高良好的温度稳定性，但它也存在一些问题，如增加了电路尺寸、增加了电路排版的难度以及增加了功率消耗。

稳定电路一定要在匹配电路之前，因为晶体管需要将稳定电路作为自身的一部分存在，再与外界接触。在外界看来，加上稳定电路的晶体管，是一个“全新的”晶体管。它做出一定的“牺牲”，获得了稳定性。稳定电路的机制能够保证晶体管顺利而稳定的运转。

3、输入输出匹配电路

匹配电路的目的是在选择一种接受的方式。对于那些想提供更大增益的晶体管来说，其途径是全盘的接受和输出。这意味着通过匹配电路这一个接口，不同的晶体管之间沟通更加顺畅，对于不同种的射频放大器类型来说，匹配电路并不是只有“全盘接受”一种设计方法。一些直流小、根基浅的小型管，更愿意在接受的时候做一定的阻挡，来获取更好的噪声性能，然而不能阻挡过了头，否则会影响其贡献。而对于一些巨型功率管，则需要在输出时谨小慎微，因为他们更不稳定，同时，一定的保留有助于他们发挥出更多的“不扭曲的”能量。

典型的阻抗匹配网络有L匹配、π形匹配和T形匹配。其中L匹配，其特点就是结构简单且只有两个自由度L和C。一旦确定了阻抗变换比率和谐振频率，网络的Q值(带宽)也就确定了。π形匹配网络的一个优点就是不管什么样的寄生电容，只要连接到它，都可以被吸到网络中，这也导致了π形匹配网络的普遍应用，因为在很多的实际情况中，占支配地位的寄生元件是电容。T形匹配，当电源端和负载端的寄生参数主要呈电感性质时，可用T形匹配来把这些寄生参数吸收入网络。