【導(dǎo)讀】幾乎所有的電子電路都依賴(lài)于放大器，放大器電路會(huì)放大它們接收到的輸入信號(hào)。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(shí)，施加在輸入端子上的輸入信號(hào)會(huì)使輸出電流出現(xiàn)波動(dòng)。波動(dòng)的輸出電流流過(guò)輸出電阻，產(chǎn)生經(jīng)過(guò)放大的輸出電壓。
本文要點(diǎn)：
? 小信號(hào) RF 放大器的用途。
? 用于小信號(hào) RF 放大器的分壓器晶體管偏置電路。
? 單級(jí)小信號(hào) RF 放大器的設(shè)計(jì)步驟。
幾乎所有的電子電路都依賴(lài)于放大器，放大器電路會(huì)放大它們接收到的輸入信號(hào)。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(shí)，施加在輸入端子上的輸入信號(hào)會(huì)使輸出電流出現(xiàn)波動(dòng)。波動(dòng)的輸出電流流過(guò)輸出電阻，產(chǎn)生經(jīng)過(guò)放大的輸出電壓。
有些放大器能放大微弱 RF 輸入信號(hào)且（與靜態(tài)工作點(diǎn)相比）輸出電流波動(dòng)較小，它們稱(chēng)為小信號(hào) RF 放大器。小信號(hào) 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(hào) RF 放大器設(shè)計(jì)。
單級(jí)小信號(hào) RF 放大器
小信號(hào) RF 放大器可以是單級(jí)放大器，也可以是多級(jí)放大器。在單級(jí)小信號(hào) RF 放大器中，使用晶體管來(lái)放大輸入信號(hào)。向偏置設(shè)置在有源區(qū)的晶體管提供輸入信號(hào)。根據(jù)輸入信號(hào)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(hào) RF 放大器也可稱(chēng)為電壓放大器。
設(shè)計(jì)小信號(hào) 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(cè)中獲取。
接下來(lái)，我們來(lái)了解一下小信號(hào) RF 放大器的晶體管偏置。
小信號(hào) RF 放大器的分壓器晶體管偏置
小信號(hào) RF 放大器的設(shè)計(jì)從晶體管偏置電路開(kāi)始。讓我們以一個(gè)具有高電平值 NPN 晶體管的共基、小信號(hào) 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(lái)表示輸入偏置電壓。請(qǐng)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)樗欠糯笃髦凶畛Ｓ玫木w管偏置電路，而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)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(chēng)為與 β 值無(wú)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。
單級(jí)小信號(hào) 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(hào) RF 放大器時(shí)應(yīng)遵循以下步驟：
針對(duì)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)。
考慮到偏置穩(wěn)定性，發(fā)射極電阻 RE 上的電壓固定為 VE。
對(duì)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
電阻 RC 的計(jì)算公式為
根據(jù) IC 和 β，基極電流為
對(duì)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
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
根據(jù)公式 R1，可設(shè)計(jì)電阻 R2
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(guò)。
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(hào)射頻放大器。在小信號(hào) 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(wèn)題。晶體管的內(nèi)部特性會(huì)隨溫度變化而變化，這會(huì)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(tái)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(duì)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(chǎng)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(guò)孔和氣橋的氮化鎵/砷化鎵（GaN/GaAs）場(chǎng)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(xiàn)的復(fù)雜封裝。強(qiáng)大的 3D 熱分布分析與自動(dòng)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(duì)溫度和電流之間的重要相互作用進(jìn)行迭代。
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