微波混合集成组件中的放大器

放大器是能把输入讯号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成。

放大器可以被认为是一个包含放大设备的简单盒子或块，例如双极晶体管、场效应晶体管或运算放大器，它有两个输入端和两个输出端（接地），输出信号要大得多比输入信号，因为它已被“放大”。

下图为放大器的一些分类。

理想的信号放大器将具有三个主要属性： 输入电阻、输出电阻 、增益的放大。无论放大器电路多么复杂，仍然可以使用通用放大器模型来显示这三个属性的关系。

理想放大器模型

输入和输出信号之间的放大差异称为放大器的增益。

增益基本上是衡量放大器“放大”输入信号的程度。例如，如果我们有1V输入信号和 50V的输出，那么放大器的增益将为“50”。换句话说，输入信号增加了 50 倍。这种增加称为增益。

放大器增益只是输出除以输入的比率。增益没有单位作为它的比率，但在电子学中，它通常被赋予符号“A”，表示放大。然后放大器的增益可以简单地计算为“输出信号除以输入信号”。

微波放大器的性能指标

微波放大器的性能指标分为三类：

微波放大器的增益指的是输出功率与输入功率之比，单位为dB，在给定频率、偏置条件和温度下的50Ω系统中，最好在校准的矢量网络分析仪（VNA）上测量。增益通常被测量为“小信号增益”，其中输入功率电平足够低，以至于增益对输入功率的依赖性非常弱。

噪声系数（以dB表示）、噪声因子（无单位）和等效噪声温度（以K表示）是量化相同影响的不同方法：放大器对放大输出信号施加的随机信号波动，在任何高于0开尔文的系统中，由于电子的热能，会出现随机电信号波动，该噪声和所需信号以相同的增益值放大。晶体管中的量子过程增加了进一步的随机波动，表现为输出信号上的噪声；噪声因子测量这些波动的幅度，这些波动加到输入噪声等于热噪声地板的信号中。噪声系数以对数单位表示相同的比率。等效噪声温度表示将产生相同噪声量的噪声源的温度，并取决于测量带宽。系统的最小可检测信号受到系统添加的噪声的限制，该噪声主要受到接收器中第一级放大器的噪声系数和任何先前损耗的限制。

相位噪声是影响信号定时（相位）的一种特殊类型的随机电波动。在放大器中，它源于所用晶体管的固有1/f噪声、AM-PM噪声、白噪声和其他源的上转换。它被量化为在给定的载波偏移频率下的功率谱密度，单位为dBc/Hz。相位噪声是检测微小频移的高灵敏度雷达系统的一个限制性能因素。它仅在需要检测靠近载波的信号时影响动态范围。

在高端饱和输出功率（Psat）是最大射频/微波功率，用dBm或瓦特表示。放大器在给定频率、偏置条件和输出负载下可以产生。在功率放大器中，输出调谐通常同时针对输出功率和效率进行优化。如果将高于Psat的功率级注入放大器，它将充当衰减器，并出现异常现象（若没有损坏）。

随着输入功率的增加，放大器的增益逐渐降低，直到达到饱和输出功率。产生比小信号增益小1 dB的增益的输入功率称为输入1 dB压缩点（输入P1dB，以dBm表示），输出功率称为输出1 dB压缩（输出P1dB，也以dBm表示）。其他常见的压缩点有3 dB、5 dB和0.1 dB。对于放大器，压缩点通常表示为输出而不是输入。

回波损耗是任意一个端口的入射功率与反射功率之比（以dB表示），VSWR是产生的驻波模式中峰值和谷值的线性比。两个数字以不同的方式表示相同的放大器特性，该特性通常被称为“匹配”系统参考阻抗（通常为50或75Ω）。

宽带线性信号和驱动放大器的匹配通常不如功率分配器等无源元件，但比混频器好。10-15 dB回波损耗或1.4-2:1 VSWR的值是比较合理的。晶体管是高反应性元件，尽管在窄带上可以实现非常好的匹配，但在宽带上很难匹配。功率放大器和低噪声放大器有不同的问题。低噪放故意不匹配50Ω的阻抗 防止噪音进入输入端。类似地，功放则在效率和功率输出方面比在回波损耗方面更匹配。

反向隔离是指放大器反向插入损耗，单位为dB。在晶体管的小信号模型中，从漏极/集电极到栅极/基极的唯一传导路径是通过一个小电容。这意味着隔离度在低频时非常好，但在高频时会降低。放大器经常被用作缓冲器，以提供射频系统中级之间的隔离，作为替代隔离器的一个很好的方案。

宽带输出回波损耗和隔离对于LO驱动放大器尤为重要。由于混频器在所有三个端口同时充当多音源和负载，LO端口将在宽带上生成信号。如果LO缓冲放大器的输出回波损耗良好，这些损耗将被有效吸收，不会造成问题。否则，它们会反射并产生驻波和转换损耗涟漪。类似地，如果隔离度差，则信号将通过放大器传递到LO源，可能会混合并从LO源产生不需要的谐波。

放大器的另一个独特因素是效率，它以许多不同的方式表示，但最常见和相关的是功率附加效率（PAE）。PAE是附加射频功率（射频输出功率减去射频输入功率）与直流功率之比，以百分比表示。对于LNA等高增益放大器，PAE将非常接近漏极效率，即输出射频功率与直流功率之比。效率之所以重要，有几个原因。显然，对于移动应用来说，效率决定了系统的电池寿命。对于机载或天基系统，总功率可能会受到平台发电能力的限制，范围由放大器的输出功率决定，因此有效范围由功率放大器的效率决定。

几类放大器工作原理

A 类放大器 ——效率低于 40%，但具有良好的信号再现和线性度。B 类放大器 - 效率是 A 类放大器的两倍，最大理论效率约为 70%，因为放大设备仅传导（并使用功率）输入信号的一半。AB 类放大器 - 效率等级介于 A 类和 B 类之间，但信号再现性比 A 类放大器差。C 类放大器 - 是最有效的放大器类，但失真非常高，因为只有一小部分输入信号被放大，因此输出信号与输入信号几乎没有相似之处。C 类放大器的信号再现最差。

A类放大器工作原理

A 类放大器操作是在放大器输出端全部再现整个输入信号波形，因为晶体管在其有源区域内完全偏置。这意味着开关晶体管永远不会被驱动到其截止或饱和区域。结果是交流输入信号完全“集中”在放大器信号上限和下限之间，如下所示。

A类放大器输出波形

A类放大器输出波形图

A 类放大器配置对输出波形的两半使用相同的开关晶体管，并且由于其中央偏置布置，输出晶体管始终具有恒定的直流偏置电流（ICQ）流过它，即使没有输入信号存在。换句话说，输出晶体管永远不会“关闭”并且处于永久空闲状态。

这导致 A 类操作的效率有些低，因为它将直流电源功率转换为传递给负载的交流信号功率通常非常低。

由于这个中心偏置点，A 类放大器的输出晶体管会变得非常热，即使在没有输入信号的情况下也是如此，因此需要某种形式的散热装置。流经晶体管集电极的直流偏置电流 ( ICQ ) 等于流经集电极负载的电流。因此，A 类放大器的效率非常低，因为大部分 DC 功率都转化为热量。

B类放大器工作原理

与上述使用单个晶体管作为其输出功率级的 A 类放大器工作模式不同，B 类放大器使用两个互补晶体管（一个 NPN 和一个 PNP 或一个 NMOS 和一个 PMOS）来放大每一半输出波形。

一个晶体管仅对信号波形的一半导通，而另一个晶体管对信号波形的另一半或相反一半导通。这意味着每个晶体管有一半的时间在有源区，一半的时间在截止区，因此只放大了 50% 的输入信号。

与 A 类放大器不同，B 类没有直接的直流偏置电压，而是晶体管仅在输入信号大于基极-发射极电压 ( V BE ) 时才导通，对于硅晶体管，这约为 0.7v。因此，零输入信号有零输出。由于只有一半的输入信号出现在放大器输出端，因此与之前的 A 类配置相比，这提高了放大器的效率，如下所示。

B类放大器输出波形

B类放大器输出波形图

在 B 类放大器中，不使用直流电压来偏置晶体管，因此输出晶体管要开始导通波形的每一半，无论是正的还是负的，它们需要基极-发射极电压V BE大于标准双极晶体管开始导通所需的 0.7v 正向压降。

因此，低于此 0.7v 窗口的输出波形的下部将无法准确再现。这会导致输出波形的失真区域，因为一旦V BE > 0.7V，一个晶体管“关闭”，等待另一个晶体管返回“开启” 。结果是在零电压交叉点处有一小部分输出波形会失真。这种类型的失真称为交叉失真，之后会介绍。

AB类放大器工作原理

AB 类放大器是上述A 类和 B 类配置之间的折衷方案。虽然 AB 类操作在其输出级仍然使用两个互补晶体管，但在没有输入信号时，将非常小的偏置电压施加到每个晶体管的基极，以将它们偏置到接近截止区域的位置。

输入信号将导致晶体管在其有源区域内正常工作，从而消除 B 类配置中始终存在的任何交叉失真。当没有输入信号存在时，一个小的偏置集电极电流 ( I CQ ) 将流过晶体管，但通常它比 A 类放大器配置的电流小得多。

因此，每个晶体管在输入波形的半个多周期内都处于“导通”状态。与上述纯 A 类配置相比，AB 类放大器配置的小偏置提高了放大器电路的效率和线性度。

AB类放大器输出波形

AB类放大器输出波形图

在设计放大器电路时，放大器的工作等级非常重要，因为它决定了其工作所需的晶体管偏置量以及输入信号的最大幅度。

放大器分类考虑了输出晶体管在其中传导的输入信号部分，以及确定开关晶体管消耗和以废热形式消散的功率的效率和数量。下图为常见放大器分类类型各类参数比较。