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。基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，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，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�；鶚O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。

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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

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