RF信号链的基本构建模块

分立元件和集成元件是支撑所有应用领域RF信号链的功能构建模块。在本文的第 1 部分中，我们研究了用于表征其的主要属性和性能指标。然而，为了达到所需的性能，RF系统工程师还必须对各种RF组件有深入的了解，选择这些组件将决定最终应用中整个RF信号链的整体性能。

本演讲的第2部分将简要概述典型RF信号链中使用的不同元件的关键类型，如图1所示。我们将讨论仅限于最常见的RF集成电路（IC），依赖于与系统级信号链定义相关的分类标准。该评估包括RF放大器、频率发生IC、倍频器和分频器、混频器、滤波器和开关，以及衰减器和检波器组件，它可以作为RF系统设计人员的指南，为目标应用选择正确的构建模块。

图1.通用射频信号链。

射频放大器

放大器的关键功能是增加输入信号的电平，以在输出端产生更大的信号。任何RF放大器的主要属性都是其增益，它描述了输出功率与输入功率的比值。然而，最佳放大器设计始终需要权衡其增益、噪声、带宽、效率、线性度和其他性能参数。将这些特性作为主要分类标准，我们可以区分各种类型的放大器，旨在提供针对特定应用场景优化的性能。

低噪声放大器（LNA）经过优化，可在不引入显著噪声的情况下提高低功耗信号电平。良好LNA的噪声系数（NF）在sub-GHz范围内可能小于1 dB，在较高频率下可能小于几dB。由于信号链的整体噪声系数由其第一级主导，因此LNA通常用于接收器的前端，以最大限度地提高其灵敏度。相反，功率放大器（PA）通常用于发射信号链的输出级。它们针对功率处理进行了优化，可在保持低散热的同时提供高效率的高输出功率。

高IP3或高线性度放大器具有与PA相似的特性，因为它们具有高动态范围性能。然而，这种类型的放大器针对线性度进行了优化，在使用具有高峰均功率比的信号的应用中优于PA。例如，在依赖矢量调制信号的通信系统中，高线性度放大器允许最小化失真，这对于实现低误码率至关重要。

可变增益放大器（VGA）也适合高动态范围应用，但信号电平范围很宽。VGA通过增益调节来控制发射或调整接收信号幅度，从而适应信号变化。如果数据总线上的控制参数可用，并且逐步增益调整对应用并不重要，则选择数字控制VGA。当数字控制数据不可用或应用无法容忍阶跃干扰时，模拟控制VGA是首选解决方案。VGA通常用于自动增益控制（AGC）或补偿由于温度变化或其他组件特性引起的增益漂移。

LNA、PA、VGA和其他类型的RF放大器如果设计为在很宽的频率范围内工作（最多几个倍频程），也可以归类为宽带放大器。这种放大器提供中等增益的宽带放大，这是宽带应用中主信号路径前端级经常需要的。宽带放大器通常依赖于分布式放大器电路设计，并提供较大的增益带宽乘积，通常以效率和噪声为代价。

一些RF放大器也属于驱动器放大器（或只是驱动器）的一般类别。驱动器是用于控制另一个元件的放大器，例如第二个放大器、混频器、转换器或信号链中的其他元件。驱动放大器的主要功能是调节某些操作参数，以确保所连接组件的最佳工作条件。驱动放大器不一定必须设计为驱动特定元件，但如果其用例表明驱动功能得到实现，则任何RF放大器无论其类型如何，都可以被视为驱动器。同样，我们也可以识别缓冲放大器（或只是缓冲器）的一般类别，用于防止信号源受到负载的影响。例如，缓冲放大器通常用于将本振与负载隔离，以最大程度地减少负载阻抗变化对振荡器性能的不良影响。

考虑到经典的超外差架构，在RF放大器的广泛类别中，我们还可以区分本振（LO）和中频（IF）放大器。这些放大器之间的主要区别在于它们在信号链中的功能用途。LO放大器用于LO路径，以确保混频器所需的LO驱动电平（它们通常称为LO驱动器或LO缓冲器），而IF放大器设计为在较低频率下工作，这使其成为信号链中频级的首选解决方案。

增益模块是另一种通用类型的放大器，可用于RF、IF或LO信号路径，因为它具有良好的增益平坦度和回波损耗。其设计通常包含内部匹配和偏置电路，只需最少数量的外部元件即可简化其与信号链的集成。增益模块放大器既可以满足通用需求，也可以满足特定需求，涵盖各种频率、带宽、增益和输出功率电平。

RF放大器的广泛多样性当然不仅限于本文讨论的那些。根据放大器特性，我们可以识别出许多其他类型的RF放大器，它们提供不同的性能特征组合，例如，限幅放大器在宽输入功率范围内提供稳定的压缩输出功率，低相位噪声放大器针对高信号完整性应用进行了优化，对数放大器本质上通常是实现RF检测功能的RF-DC转换器（参见“RF检波器”一节）。 仅举几例。表1总结了我们在本专题中讨论的主要放大器类型。

 

放大器类型	特点
低噪声放大器	放大低功率信号，引入最小噪声
功率放大器	提供高输出功率和高效率
高IP3放大器	为具有高波峰因数的信号提供高线性度性能
可变增益放大器	通过提供可调增益处理各种信号电平
宽带放大器	在很宽的频率范围内工作
驱动放大器	调节所连接组件的操作条件
缓冲放大器	将负载阻抗变化对信号源的影响降至最低
增益模块	提供良好的增益平坦度和回波损耗，需要最少的外部元件
限幅放大器	在宽输入范围内提供稳定的压缩输出功率
低相位噪声放大器	提供最小的附加相位噪声

 

RF放大器还可以根据其他标准进行分类，例如其特性、工作模式（放大器类别）、组件或工艺技术，这超出了本文的范围。但是，在本节中，我们研究了业界针对RF信号链架构定义而采用的一些最常见的RF放大器类别。

频率发生IC

频率发生组件可以在RF信号链中提供各种不同的功能，包括频率转换、波形合成、信号调制和时钟信号生成。根据IC的目标用例，有一些性能标准可以决定其选择，包括输出频率范围、频谱纯度、稳定性和调谐速度。针对各种用例优化的频率生成组件有多种选择，其中包括压控振荡器 （VCO）、锁相环 （PLL）、集成频率合成器、转换环路和直接数字频率合成 （DDS） IC。

压控振荡器 （VCO） 产生输出信号，其频率由外部输入电压控制。VCO的内核可以基于不同类型的谐振器。使用高质量谐振器的单核VCO在有限的频率范围内提供低相位噪声性能，而为低质量设计的振荡器则针对具有平庸噪声特性的宽带操作。使用多个开关高质量谐振器电路的多频段VCO通过提供宽带操作和低相位噪声性能提供了一种替代解决方案，然而，这是以在不同内核之间切换所需的时间所限制的较慢调谐速度为代价实现的。VCO通常与锁相环结合使用。

锁相环（PLL）或PLL频率合成器是确保许多频率合成和时钟恢复应用所需的VCO输出频率稳定性的电路。如图2a所示，PLL集成了一个鉴相器，该鉴相器将VCO频率的N分频版本与参考频率进行比较，并使用该差分输出信号来调整施加到VCO调谐线的直流控制电压。这允许对任何频率漂移进行瞬时校正，从而保持振荡器的稳定运行。典型的PLL芯片包括一个误差检测器（带电荷泵的鉴频鉴相器（PFD））和一个反馈分频器（参见图2a中的虚线区域），它仍然需要一个额外的外部环路滤波器、一个基准频率和一个VCO，以形成一个完整的反馈系统，以实现稳定的频率生成。通过使用具有集成VCO的合成器IC，可以大大简化该系统的实现。1

集成VCO的频率合成器将PLL和VCO集成在单个封装中，仅需一个外部基准和一个环路滤波器即可实现所需的功能。集成PLL频率合成器是一种多功能解决方案，具有广泛的数字控制设置，可实现精确的频率生成。它通常可能包括集成功率分配器、倍频器、分频器和跟踪滤波器，以允许在集成VCO的基本范围之外实现多达几个倍频程的频率覆盖范围。所有这些元件的固有参数决定了输出频率范围、相位噪声、抖动、锁定时间以及代表频率合成器电路整体性能的其他特性。

转换环路是基于PLL概念的另一种频率合成器解决方案，但使用不同的方法实现。如图2b所示，它在反馈环路中使用集成下变频混频级而不是N分压器，将环路增益设置为1，并将带内相位噪声降至最低。转换环路IC（参见图2b中的虚线区域）专为高抖动敏感应用而设计，与外部PFD和LO结合使用，可实现完整的频率合成解决方案，以紧凑的外形提供仪器级性能。

直接数字频率合成（DDS）IC是集成PLL频率合成器的替代方案，并使用不同的概念实现。基本DDS架构如图2c所示。它是一个数字控制系统，包括一个代表时钟信号的高精度参考频率、一个创建目标波形数字版本的数控振荡器 （NCO） 和一个提供最终模拟输出的数模转换器 （DAC）。DDS IC具有快速跳频、频率和相位的微调分辨率以及低输出失真，这使其成为卓越噪声性能和高频捷变性至关重要的应用的理想解决方案。2

图2.（a） 锁相环、（b） 转换环和 （c） 直接数字频率合成器的简化框图。

频率发生组件在广泛的应用中得到应用，这些应用对其性能提出了不同的要求。例如，通信系统需要低带内噪声以保持低误差矢量幅度（EVM），频谱分析仪依靠具有快速锁定时间的本地振荡器来实现快速频率扫描，高速转换器需要低抖动时钟来确保高SNR性能。

倍频器

当基频振荡器无法覆盖所需范围时，倍频器可以产生更高的频率。这些元件利用其元件的非线性特性来产生输出信号，其频率是输入信号的谐波。根据目标输出谐波的阶数，我们可以区分倍增器、三倍器和四倍频器以及更高阶的乘法器。

用于实现倍频的不同类型的非线性元件使我们能够区分依赖二极管电路的无源乘法器和利用晶体管的有源乘法器。有源乘法器需要外部直流偏置，但与无源器件相比，它们具有许多显著优势，包括转换增益、更低的输入驱动电平以及更好地抑制基频和杂散频率。

倍频器IC广泛用于PLL频率合成器设计中，特别是与VCO结合使用，或作为本地振荡器信号路径的一部分，为提高频率提供了一种简单而廉价的解决方案。然而，所有类型的倍频器都有相同的缺点：它们将相位噪声降低至少20log（N） dB，其中N是乘法因子。例如，倍频器将使相位噪声水平提高至少6 dB，这在高速转换器时钟和其他相位噪声和抖动敏感应用中至关重要。3

分频器和预分频器

分频器将较高的输入频率转换为较低的输出频率。如今，这些类型的组件绝大多数是使用二进制计数器或移位寄存器实现的数字电路。它们广泛集成在时钟分配电路和PLL频率合成器设计中，在许多应用中都有应用。分频器可以具有固定分频比（此类分频器也称为预分频器）或可编程分频比。分频比为N，可将输出信号的相位噪声改善20log（N） dB。然而，这种改进受到分频器本身的加法阶段的限制，该相源自其有源电路并累加到其输出。一个好的分频器具有低加性相位，这与低谐波含量一起属于其一些关键特性。

射频混频器

基本形式的RF混频器是一个3端口元件，它使用非线性或时变元件产生包含两个输入信号的和差频率的输出信号。我们通常可以区分无源混频器和有源混频器。无源混频器使用二极管元件或用作开关的FET晶体管，而有源混频器则依靠基于晶体管的电路来实现频率转换。无源混频器可以提供宽带宽和高线性度性能，不需要外部直流偏置，并且通常比有源混频器具有更好的噪声系数。然而，无源混频器表现出转换损耗，并且依赖于高LO输入功率，而有源混频器则提供增益并需要明显较低的LO驱动电平。作为下变频器或上变频器实现的替代设计可以结合无源混频器内核和有源电路，以实现转换增益，而不会影响噪声系数和线性度。4

混频器IC可以采用各种不同的设计，最基本的是单端（或不平衡）。基于二极管的单端混频器的概念拓扑如图3a所示。单端混频器仅使用一个非线性元件来完成频率转换，这提供了一种简单的解决方案，但由于端口之间的隔离性差和高杂散水平，性能有限。平衡混频器设计通过利用其电路的对称特性来克服这些限制。根据对称程度，平衡混频器可分为单平衡、双平衡和三平衡。单平衡混频器（见图3b）由两个非平衡混频器组成，结合90°或180°混合。这种类型的混频器提供高LO-RF隔离，抑制RF或LO信号，并抑制输出中的LO谐波。使用各种类型的双平衡混合器可以进一步提高性能。一个常见的例子，如图3c所示，在四环配置中使用四个肖特基二极管，混合二极管放置在RF和LO端口。双平衡混频器具有较高的整体性能，这使其成为广泛使用的RF混频器IC，因为它们具有良好的端口间隔离，抑制RF和LO频率，并抑制所有甚至RF和LO谐波。5使用三重平衡混频器可以实现更高的隔离度和线性度。这种类型的混频器结合了两种双平衡设计，形成了更高的对称性，以优化变频过程，但代价是电路复杂性显着增加。

图3.（a） 单端、（b） 单平衡、（c） 双平衡和 （d） 镜像抑制混频器的概念拓扑。

同相正交（I/Q）混频器是平衡设计的一个单独类别。I/Q混频器利用相位消除功能消除不需要的镜像信号，无需外部滤波。普通I/Q混频器通常可以作为下变频模式下的镜像抑制混频器（IRM）或上变频模式下的单边带（SSB）混频器。集成缓冲器和驱动器放大器的I/Q混频器仅设计用于两种工作模式之一，可将其分为I/Q下变频器和I/Q上变频器。这些混频器与另一种称为I/Q调制器和I/Q解调器的变频IC密切相关。I/Q调制器和I/Q解调器提供高阻抗差分基带接口，设计用于数据转换器，非常适合直接变频收发器应用。特别是，它们构成了现代高度集成RF收发器IC的核心。6

我们应该简要提及的混频器类型的另一个常见示例是次谐波混频器。它集成了次谐波泵浦本振，为使用较低LO频率实现高频RF设计提供了一种简单的解决方案，无需外部倍频器。

还有许多其他类型的RF混频器实现依赖于有源和无源技术。RF混频器IC可以使用复杂的架构，在一个封装中集成各种组件，包括PLL/VCO、放大器、倍频器、衰减器和检波器，并提供数字接口来控制其功能。

射频滤波器

RF滤波器IC几乎可用于每个RF应用，以选择频谱内容中的所需频率，其中通常还包括非线性信号链内产生的不需要的杂散分量和来自外部的带外信号。因此，滤波器的关键功能是为目标通带频率提供最小衰减，并为阻带频率提供最大衰减以抑制不需要的信号。图4所示的常见滤波器频率响应类型包括低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）和带阻滤波器或带阻滤波器（如果阻带较窄，也称为陷波滤波器）。

大多数RF应用需要跨多个频段进行滤波，这可以使用开关滤波器组来实现。这种类型的解决方案在一个模块中集成了开关和固定带宽滤波器，可以设计为在阻带抑制、线性动态范围和开关速度方面提供出色的性能。然而，传统的开关滤波器组具有有限的频带选择能力，而且它们通常很大且成本高昂。具有连续模拟或数字调谐功能的紧凑型可调谐滤波器IC克服了这些限制，使其成为许多应用中多频段操作的开关固定滤波器组的有吸引力的替代方案。模拟可调谐滤波器提供电压控制，用于调整中心和/或截止频率，而数字可调谐滤波器的所需特性可通过数字控制接口进行配置。可调谐滤波器可提供出色的通带特性、良好的阻带抑制、宽调谐范围和快速建立时间，以满足当今各种RF应用的苛刻要求。

图4.滤波器频率响应：（a）低通滤波器，（b）高通滤波器，（c）带通滤波器和（d）带阻滤波器。

射频开关

RF开关是用于通过信号链路由高频信号的控制组件。其关键功能可以通过不同类型的开关元件来实现，包括PIN二极管、FET晶体管或微加工悬臂梁。根据开关元件的排列方式，开关设计可以具有不同数量的极点（由开关控制的单独电路）和抛出（开关可以为每个极点采用的单独输出路径）。单刀 n 掷 （SPnT） 开关将信号从一个输入路由到 n 个输出。例如，单刀单掷 （SPST） 开关将一个输入连接到一个输出，提供简单的开关功能，单刀双掷 （SPDT） 开关将一个输入与两个输出切换（参见图 5a），单刀四掷 （SP4T） 开关将输入信号路由到四个输出路径（见图 5b）。RF开关也可以有多个极点，这种类型的开关称为转换开关（见图5c）。最常见的例子是双刀双掷（DPDT）配置，具有两个独立的电路，可以连接到两个输出路径之一。

RF开关设计可以具有更复杂的拓扑结构，将多个低阶开关组合在一起。这些IC称为开关矩阵或交叉点开关。它们在多个输入和多个输出之间提供灵活的RF信号路由。

图5.射频开关示例：（a） 吸收式单刀双掷，（b） 反射式 SP4T，以及 （c） 带有真值表示例的控制转换开关。（注意：RFC = 射频公共端口，CTRL = 控制电压端口）。

无论开关配置如何，我们通常都可以区分反射开关和吸收开关（也称为非反射或端接开关）。它们之间的主要区别在于吸收式开关包含一个匹配的负载，用于在关断状态下端接输出端口，以最大限度地降低电压驻波比（VSWR）（参见图5a）。该特性允许吸收式开关在两种开关模式下保持良好的回波损耗，这是反射开关无法提供的。然而，与反射式开关相比，吸收式开关的这一优势是以较低的功率处理能力和更高的电路复杂性为代价的。

射频开关IC可以在许多不同的技术中实现，包括硅基半导体CMOS和SOI，化合物半导体GaAs和GaN以及微机电系统（MEMS）。7,8每种技术在频率范围、电源处理能力、隔离、插入损耗、开关速度和建立时间等关键性能规格之间提供了各种权衡。例如，GaAs具有高温性能，GaN广泛用于高功率应用，硅基工艺在建立时间、集成能力、较低频率特性和更高的ESD鲁棒性方面占主导地位。7替代MEMS技术提供采用小芯片级封装的微机械继电器。它以独特的方式实现了具有高线性度和功率的直流精密性能，权衡了开关速度、有限周期寿命和热开关限制。

射频衰减器

RF衰减器降低了RF信号的强度，从而实现了与放大器相反的功能。它是一个控制元件，用于调节信号链中的增益和平衡信号电平。RF衰减器IC通常是吸收式（传输型）器件。我们通常可以区分具有不变衰减水平的固定衰减器和允许其调整的可变衰减器。具有一组离散衰减电平的可变衰减器IC称为数字步进衰减器（DSA），它们通常用于粗略信号校准，这受到预定衰减步长的限制。对于精细信号控制，使用电压可变衰减器（VVA）。与DSA相反，VVA提供衰减水平的连续调整，可以设置为给定范围内的任何值。所有类型的RF衰减器都应在整个工作频率范围内提供平坦的衰减性能和良好的VSWR，而DSA还必须确保无干扰工作，以减少状态转换期间的信号失真。7

射频检波器

基本形式的集成RF检波器是一个2端口器件，提供与施加到其输入的RF信号功率成比例的输出电压信号。与基于分立二极管的检波器实现方式相反，集成RF检波器具有许多开箱即用的优势，包括在宽温度范围内稳定的输出电压、更轻松的器件校准以及用于与ADC直接接口的缓冲输出。9最常见的RF检波器IC是标量检波器，用于需要测量RF信号功率幅度的各种应用。标量检波器的主要类型包括均方根功率检波器、对数检波器和包络检波器。

RMS功率检波器提供施加到RF输入的实际信号功率的精确均方根表示。有具有线性响应的均方根检波器，其均方根输出是线性响应直流电压，而对数均方根检波器具有“线性dB”响应，其输出电压随真实RF输入功率的每dB变化而变化相同量。这两种类型的均方根检波器都非常适合在不需要快速响应时间性能的应用中对具有高波峰因数随时间变化的复杂调制信号进行波形无关的功率测量。它们通常用于平均功率监控、发射器信号强度指示 （TSSI）、接收信号强度指示 （RSSI） 和自动增益控制 （AGC）。

对数检波器（也称为对数放大器）将输入RF信号转换为精确的对数线性直流输出电压。对数检测器提供非常高的动态范围操作。这是使用连续压缩方法实现的，该方法依赖于耦合到检波器的限幅放大器级联，检波器的输出在级联拓扑的输出级相加。随着输入功率的增加，连续的放大器一个接一个地进入饱和状态，从而产生对数函数的近似值。对数检测器非常适合高动态范围应用，包括RSSI和RF输入保护。

连续检测对数视频放大器 （SDLVA） 是一种特殊类型的对数检测器，具有平坦的频率响应以及出色的上升/下降和延迟时间，这使其成为需要极高速性能的应用的首选解决方案，包括瞬时频率测量、测向接收器和电子智能应用。

包络检波器（也称为峰值检波器或AM检波器）提供与RF输入信号瞬时幅度成比例的基带输出电压。包络检波器IC通常使用快速开关肖特基二极管实现，这使其成为需要极快响应时间的较低动态范围应用的理想解决方案。包络检波器的典型应用包括PA偏置控制中的效率增强包络跟踪、PA线性化、快速过RF功率保护、高分辨率脉冲检测以及I/Q调制器的LO泄漏校正。

除了标量检波器，我们还可以识别另一类集成检波器，称为矢量功率测量IC。它们提供的扩展功能超出了标量功率测量功能。10矢量功率测量检测器可以测量信号的多个参数，包括其幅度、相位和沿传输路径的传播方向（正向和反向）。这种类型的设备是众多应用中散射参数在线测量的理想解决方案，包括无线发射器中的天线调谐、模块化系统中的内置测试和材料分析。

结论

在RF信号链讨论的第二部分中，我们讨论并分类了一些代表典型RF信号链基本构建模块的关键RF IC。然而，在本概述中，我们只触及了射频组件类型和形式的多方面多样性的表面。RF系统日益复杂，需要更完整的信号链解决方案，这导致开发大量IC设计，将多个功能模块整合到同一封装或一个芯片上。这些器件可以集成混频器、PLL、VCO、放大器、检测器和其他组件，以紧凑的外形提供显著先进的功能，并提供更简单的设计、更低的功耗、更低的成本和更短的开发周期。

ADI公司提供业界最广泛的RF集成电路产品组合，涵盖从直流到100 GHz以上的整个频谱，并适合信号链中的几乎所有功能模块。11ADI产品范围最广，从放大器、混频器、滤波器和其他标准IC元件，一直到混合信号模拟前端和系统级封装（SiP）解决方案，这些解决方案作为完整的子系统经过全面测试和验证。ADI产品提供一流的性能，可满足从通信和工业系统一直到测试和测量设备以及航空航天系统的各种RF应用的最苛刻要求。为了支持RF工程师在这些应用的开发过程中，ADI不仅提供RF IC，还提供整个生态系统，包括设计工具、快速原型平台、实验室电路参考设计、EngineerZone技术论坛和世界一流的技术支持。

审核编辑：郭婷