技術(shù)資訊 I 單級小信號 RF 放大器設(shè)計(jì)

耀創(chuàng)深圳

本文要點(diǎn)

小信號 RF 放大器的用途。

用于小信號 RF 放大器的分壓器晶體管偏置電路。

單級小信號 RF 放大器的設(shè)計(jì)步驟。

幾乎所有的電子電路都依賴于放大器，放大器電路會放大它們接收到的輸入信號�；�本的放大器電路由雙極結(jié)型晶體管組成，晶體管偏置使器件在有源區(qū)運(yùn)行。晶體管的有源區(qū)用于放大目的。當(dāng)晶體管偏置為有源區(qū)時(shí)，施加在輸入端子上的輸入信號會使輸出電流出現(xiàn)波動。波動的輸出電流流過輸出電阻，產(chǎn)生經(jīng)過放大的輸出電壓。

有些放大器能放大微弱 RF 輸入信號且（與靜態(tài)工作點(diǎn)相比）輸出電流波動較小，它們稱為小信號 RF 放大器。小信號 RF 放大器的設(shè)計(jì)可以采用共基極、共發(fā)射極或共集電極配置。本文將重點(diǎn)介紹共基極小信號 RF 放大器設(shè)計(jì)。

01
單級小信號 RF 放大器

小信號 RF 放大器可以是單級放大器，也可以是多級放大器。在單級小信號 RF 放大器中，使用晶體管來放大輸入信號。向偏置設(shè)置在有源區(qū)的晶體管提供輸入信號。根據(jù)輸入信號的變化，輸出電流也隨之變化，從而得到放大后的輸出電壓。小信號 RF 放大器也可稱為電壓放大器。

設(shè)計(jì)小信號 RF 放大器所需的輸入包括輸出電流、輸出電壓、直流偏置電壓和晶體管電流增益。電流增益是晶體管的內(nèi)部特性，可從產(chǎn)品手冊中獲取。



接下來，我們來了解一下小信號 RF 放大器的晶體管偏置。

小信號 RF 放大器的分壓器晶體管偏置

小信號 RF 放大器的設(shè)計(jì)從晶體管偏置電路開始。讓我們以一個(gè)具有高電平值 NPN 晶體管的共基、小信號 RF 放大器設(shè)計(jì)為例。集電極電流和集電極輸出電阻上的電壓分別構(gòu)成輸出電流和輸出電壓。用 VCC 來表示輸入偏置電壓。請注意，在本例中，我們使用分壓器晶體管偏置電路進(jìn)行進(jìn)一步討論，因?yàn)樗�是放大器中最常用的晶體管偏置電路，而且電路結(jié)構(gòu)簡單，工作點(diǎn)穩(wěn)定性較好。

當(dāng)晶體管采用共基配置時(shí)，晶體管基極和集電極端的電阻 R2 和 RC 將晶體管連接到直流輸入電壓 VCC。電阻 R1 和 RE 分別將晶體管的基極和發(fā)射極接地。通過選擇合適的電阻值，可以固定晶體管放大器的工作點(diǎn)。分壓器晶體管偏壓使晶體管的工作點(diǎn)幾乎不受放大倍數(shù)（β 值）影響。因此，分壓器偏置電路也稱為與 β 值無關(guān)的偏置電路。


要設(shè)計(jì)這種晶體管，應(yīng)遵循幾個(gè)關(guān)鍵步驟。

02
單級小信號 RF 放大器的設(shè)計(jì)步驟

設(shè)計(jì)帶分壓器晶體管偏置的小信號 RF 放大器時(shí)應(yīng)遵循以下步驟：

1
針對給定的設(shè)計(jì)參數(shù)，即輸出電流 (IC)、輸出電壓 (VC)、直流偏置電壓 (VCC) 和晶體管電流增益，選擇晶體管的工作點(diǎn)。
2
考慮到偏置穩(wěn)定性，發(fā)射極電阻 RE 上的電壓固定為 VE。
3
對于高 β 值晶體管，集電極 (IC) 和發(fā)射極 (IE) 電流大致相等。根據(jù) IE 和 VE，設(shè)計(jì)電阻 RE 時(shí)使用的公式為

4
電阻 RC 的計(jì)算公式為

5
根據(jù) IC 和 β，基極電流為

6
對于硅晶體管，基極和發(fā)射極上的壓降 VBE 等于 0.7 V。基極電壓 VBB 的計(jì)算公式為

7
從直流輸入電壓到晶體管基極的電流為 IBB。假設(shè) IBB 值，則電阻為

8
根據(jù)公式 R1，可設(shè)計(jì)電阻 R2

9
耦合電容器 Cin 和 CC 設(shè)計(jì)為阻斷直流電流，只允許交流電流通過。
10
旁路電容器 CE 按照公式設(shè)計(jì)

按照上述步驟，就可以設(shè)計(jì)出一個(gè)小信號射頻放大器。在小信號 RF 放大器設(shè)計(jì)中，穩(wěn)定晶體管的工作點(diǎn)是一個(gè)重要問題。晶體管的內(nèi)部特性會隨溫度變化而變化，這會影響放大器的工作點(diǎn)和功能。

Cadence Celsius Thermal Solver 是業(yè)界首個(gè)面向電子工程師的熱分析技術(shù)。它為單片微波集成電路（MMIC）、集成電路封裝、射頻 PCB、模塊和微波/射頻系統(tǒng)提供了完整的電熱協(xié)同仿真技術(shù)。Celsius Thermal Solver 集成在 Cadence AWR Design Environment 平臺中，為元件密集的大型射頻/微波系統(tǒng)和高功率放大器（HPA）的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和簽核提供隨時(shí)可用的高容量電熱分析（圖 1）。


圖 1：使用 Celsiu Thermal Solver 對射頻功率器件和合路器匯流排進(jìn)行分析

利用有限元分析（FEA）場求解器與先進(jìn)的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)相結(jié)合，Celsius Thermal Solver可以分析復(fù)雜固體結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)，包括帶過孔和氣橋的氮化鎵/砷化鎵（GaN/GaAs）場效應(yīng)晶體管（FET）和高電子遷移率晶體管（HEMT）器件，以及帶有凸點(diǎn)或鍵合線的復(fù)雜封裝。強(qiáng)大的 3D 熱分布分析與自動化環(huán)境中的 3D 電氣仿真相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)真正的電熱協(xié)同仿真，對溫度和電流之間的重要相互作用進(jìn)行迭代。

歡迎點(diǎn)擊下方圖片，免費(fèi)下載產(chǎn)品手冊，深入了解射頻功率應(yīng)用的熱有限元分析：



點(diǎn)擊閱讀原文，免費(fèi)下載產(chǎn)品手冊！


或者點(diǎn)擊下方短視頻，觀看射頻設(shè)計(jì)師是如何在設(shè)計(jì)平臺內(nèi)通過易于使用的工作流程輕松獲得精確的熱特性分布：







▼您可能錯過的精彩內(nèi)容▼切換到orcad X，立享限時(shí)特優(yōu)折扣！
李老師暑假班pcb設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)：從0到1的進(jìn)階之路
【技術(shù)概要】Celsius EC Solver：對電子系統(tǒng)散熱性能進(jìn)行準(zhǔn)確快速分析
allegro X 23.11 版本更新 I PCB 設(shè)計(jì)：一鍵移除評審內(nèi)容 & 導(dǎo)入ODB++
Allegro X 23.11 版本更新 I PCB 設(shè)計(jì)：梯形布線的分析性能提升

Cadence楷登PCB及封裝資源中心


原文由Cadence楷登PCB及封裝資源中心整理撰寫。
Cadence是唯一一家為整個(gè)電子設(shè)計(jì)鏈提供專業(yè)技術(shù)、工具、IP及硬件的公司。產(chǎn)品應(yīng)用于消費(fèi)電子、云數(shù)據(jù)中心、汽車、航空、物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)領(lǐng)域。Cadence創(chuàng)新的 “智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)” 戰(zhàn)略助力客戶優(yōu)化設(shè)計(jì)、縮短開發(fā)周期、打造行業(yè)領(lǐng)先產(chǎn)品。
識別下方二維碼關(guān)注公眾號



關(guān)于耀創(chuàng)科技


耀創(chuàng)科技（U-Creative）專注于為電子行業(yè)客戶提供電子設(shè)計(jì)自動化（EDA）解決方案及服務(wù)的高科技公司，是Cadence在國內(nèi)合作時(shí)間最長的代理商。      耀創(chuàng)科技（U-Creative）至今積累有20多年的EDA工程服務(wù)經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)在中國為數(shù)百家客戶提供了EDA解決方案及服務(wù)，這極大地提高了客戶的硬件設(shè)計(jì)效率和生產(chǎn)效率。公司在引進(jìn)國外先進(jìn)的EDA解決方案的同時(shí)，針對中國市場的特殊性，與Cadence公司合作，在國內(nèi)最早提出了電子電氣協(xié)同設(shè)計(jì)與工程數(shù)據(jù)管理的概念，成功地在眾多研究所及商業(yè)公司內(nèi)進(jìn)行實(shí)施，極大的改善了PCB/SIP產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)流程，覆蓋從優(yōu)選元件選控、協(xié)同設(shè)計(jì)輸入、在線檢查分析、標(biāo)準(zhǔn)化文檔輸出及PLM/PDM系統(tǒng)集成，獲得了眾多用戶的贊許。與此同時(shí)，根據(jù)中國客戶的實(shí)際情況，公司還提供除了軟件使用培訓(xùn)之外的工程師陪同項(xiàng)目設(shè)計(jì)服務(wù)，以幫助客戶在完成實(shí)際課題的同時(shí)，也能夠熟練掌握軟件的高級使用方法，這一舉措也取得了非常好的效果。我們一直秉承“與客戶共同成長”的服務(wù)理念，希望在國內(nèi)EDA領(lǐng)域內(nèi)能為更多客戶提供支持與服務(wù)！識別下方二維碼關(guān)注耀創(chuàng)科技公眾號

歡迎您的留言！您可以通過微信后臺留言或發(fā)郵件至sales@u-c.com.cn聯(lián)系我們，非常感謝您的關(guān)注以及寶貴意見。點(diǎn)擊“閱讀原文”，免費(fèi)下載產(chǎn)品手冊！
↓↓↓期待您的分享、點(diǎn)贊、在看