RF信號鏈的基本構建模塊

分立元件和集成元件是支撐所有應用領域RF信號鏈的功能構建模塊。在本文的第 1 部分中，我們研究了用于表征其的主要屬性和性能指標。然而，為了達到所需的性能，RF系統工程師還必須對各種RF組件有深入的了解，選擇這些組件將決定最終應用中整個RF信號鏈的整體性能。

本演講的第2部分將簡要概述典型RF信號鏈中使用的不同元件的關鍵類型，如圖1所示。我們將討論僅限于最常見的RF集成電路（IC），依賴于與系統級信號鏈定義相關的分類標準。該評估包括RF放大器、頻率發生IC、倍頻器和分頻器、混頻器、濾波器和開關，以及衰減器和檢波器組件，它可以作為RF系統設計人員的指南，為目標應用選擇正確的構建模塊。

圖1.通用射頻信號鏈。

射頻放大器

放大器的關鍵功能是增加輸入信號的電平，以在輸出端產生更大的信號。任何RF放大器的主要屬性都是其增益，它描述了輸出功率與輸入功率的比值。然而，最佳放大器設計始終需要權衡其增益、噪聲、帶寬、效率、線性度和其他性能參數。將這些特性作為主要分類標準，我們可以區分各種類型的放大器，旨在提供針對特定應用場景優化的性能。

低噪聲放大器（LNA）經過優化，可在不引入顯著噪聲的情況下提高低功耗信號電平。良好LNA的噪聲系數（NF）在sub-GHz范圍內可能小于1 dB，在較高頻率下可能小于幾dB。由于信號鏈的整體噪聲系數由其第一級主導，因此LNA通常用于接收器的前端，以最大限度地提高其靈敏度。相反，功率放大器（PA）通常用于發射信號鏈的輸出級。它們針對功率處理進行了優化，可在保持低散熱的同時提供高效率的高輸出功率。

高IP3或高線性度放大器具有與PA相似的特性，因為它們具有高動態范圍性能。然而，這種類型的放大器針對線性度進行了優化，在使用具有高峰均功率比的信號的應用中優于PA。例如，在依賴矢量調制信號的通信系統中，高線性度放大器允許最小化失真，這對于實現低誤碼率至關重要。

可變增益放大器（VGA）也適合高動態范圍應用，但信號電平范圍很寬。VGA通過增益調節來控制發射或調整接收信號幅度，從而適應信號變化。如果數據總線上的控制參數可用，并且逐步增益調整對應用并不重要，則選擇數字控制VGA。當數字控制數據不可用或應用無法容忍階躍干擾時，模擬控制VGA是首選解決方案。VGA通常用于自動增益控制（AGC）或補償由于溫度變化或其他組件特性引起的增益漂移。

LNA、PA、VGA和其他類型的RF放大器如果設計為在很寬的頻率范圍內工作（最多幾個倍頻程），也可以歸類為寬帶放大器。這種放大器提供中等增益的寬帶放大，這是寬帶應用中主信號路徑前端級經常需要的。寬帶放大器通常依賴于分布式放大器電路設計，并提供較大的增益帶寬乘積，通常以效率和噪聲為代價。

一些RF放大器也屬于驅動器放大器（或只是驅動器）的一般類別。驅動器是用于控制另一個元件的放大器，例如第二個放大器、混頻器、轉換器或信號鏈中的其他元件。驅動放大器的主要功能是調節某些操作參數，以確保所連接組件的最佳工作條件。驅動放大器不一定必須設計為驅動特定元件，但如果其用例表明驅動功能得到實現，則任何RF放大器無論其類型如何，都可以被視為驅動器。同樣，我們也可以識別緩沖放大器（或只是緩沖器）的一般類別，用于防止信號源受到負載的影響。例如，緩沖放大器通常用于將本振與負載隔離，以最大程度地減少負載阻抗變化對振蕩器性能的不良影響。

考慮到經典的超外差架構，在RF放大器的廣泛類別中，我們還可以區分本振（LO）和中頻（IF）放大器。這些放大器之間的主要區別在于它們在信號鏈中的功能用途。LO放大器用于LO路徑，以確?；祛l器所需的LO驅動電平（它們通常稱為LO驅動器或LO緩沖器），而IF放大器設計為在較低頻率下工作，這使其成為信號鏈中頻級的首選解決方案。

增益模塊是另一種通用類型的放大器，可用于RF、IF或LO信號路徑，因為它具有良好的增益平坦度和回波損耗。其設計通常包含內部匹配和偏置電路，只需最少數量的外部元件即可簡化其與信號鏈的集成。增益模塊放大器既可以滿足通用需求，也可以滿足特定需求，涵蓋各種頻率、帶寬、增益和輸出功率電平。

RF放大器的廣泛多樣性當然不僅限于本文討論的那些。根據放大器特性，我們可以識別出許多其他類型的RF放大器，它們提供不同的性能特征組合，例如，限幅放大器在寬輸入功率范圍內提供穩定的壓縮輸出功率，低相位噪聲放大器針對高信號完整性應用進行了優化，對數放大器本質上通常是實現RF檢測功能的RF-DC轉換器（參見“RF檢波器”一節）。 僅舉幾例。表1總結了我們在本專題中討論的主要放大器類型。

RF放大器還可以根據其他標準進行分類，例如其特性、工作模式（放大器類別）、組件或工藝技術，這超出了本文的范圍。但是，在本節中，我們研究了業界針對RF信號鏈架構定義而采用的一些最常見的RF放大器類別。

頻率發生IC

頻率發生組件可以在RF信號鏈中提供各種不同的功能，包括頻率轉換、波形合成、信號調制和時鐘信號生成。根據IC的目標用例，有一些性能標準可以決定其選擇，包括輸出頻率范圍、頻譜純度、穩定性和調諧速度。針對各種用例優化的頻率生成組件有多種選擇，其中包括壓控振蕩器 （VCO）、鎖相環 （PLL）、集成頻率合成器、轉換環路和直接數字頻率合成 （DDS） IC。

壓控振蕩器 （VCO） 產生輸出信號，其頻率由外部輸入電壓控制。VCO的內核可以基于不同類型的諧振器。使用高質量諧振器的單核VCO在有限的頻率范圍內提供低相位噪聲性能，而為低質量設計的振蕩器則針對具有平庸噪聲特性的寬帶操作。使用多個開關高質量諧振器電路的多頻段VCO通過提供寬帶操作和低相位噪聲性能提供了一種替代解決方案，然而，這是以在不同內核之間切換所需的時間所限制的較慢調諧速度為代價實現的。VCO通常與鎖相環結合使用。

鎖相環（PLL）或PLL頻率合成器是確保許多頻率合成和時鐘恢復應用所需的VCO輸出頻率穩定性的電路。如圖2a所示，PLL集成了一個鑒相器，該鑒相器將VCO頻率的N分頻版本與參考頻率進行比較，并使用該差分輸出信號來調整施加到VCO調諧線的直流控制電壓。這允許對任何頻率漂移進行瞬時校正，從而保持振蕩器的穩定運行。典型的PLL芯片包括一個誤差檢測器（帶電荷泵的鑒頻鑒相器（PFD））和一個反饋分頻器（參見圖2a中的虛線區域），它仍然需要一個額外的外部環路濾波器、一個基準頻率和一個VCO，以形成一個完整的反饋系統，以實現穩定的頻率生成。通過使用具有集成VCO的合成器IC，可以大大簡化該系統的實現。1

集成VCO的頻率合成器將PLL和VCO集成在單個封裝中，僅需一個外部基準和一個環路濾波器即可實現所需的功能。集成PLL頻率合成器是一種多功能解決方案，具有廣泛的數字控制設置，可實現精確的頻率生成。它通?？赡馨晒β史峙淦?、倍頻器、分頻器和跟蹤濾波器，以允許在集成VCO的基本范圍之外實現多達幾個倍頻程的頻率覆蓋范圍。所有這些元件的固有參數決定了輸出頻率范圍、相位噪聲、抖動、鎖定時間以及代表頻率合成器電路整體性能的其他特性。

轉換環路是基于PLL概念的另一種頻率合成器解決方案，但使用不同的方法實現。如圖2b所示，它在反饋環路中使用集成下變頻混頻級而不是N分壓器，將環路增益設置為1，并將帶內相位噪聲降至最低。轉換環路IC（參見圖2b中的虛線區域）專為高抖動敏感應用而設計，與外部PFD和LO結合使用，可實現完整的頻率合成解決方案，以緊湊的外形提供儀器級性能。

直接數字頻率合成（DDS）IC是集成PLL頻率合成器的替代方案，并使用不同的概念實現?；綝DS架構如圖2c所示。它是一個數字控制系統，包括一個代表時鐘信號的高精度參考頻率、一個創建目標波形數字版本的數控振蕩器 （NCO） 和一個提供最終模擬輸出的數模轉換器 （DAC）。DDS IC具有快速跳頻、頻率和相位的微調分辨率以及低輸出失真，這使其成為卓越噪聲性能和高頻捷變性至關重要的應用的理想解決方案。2

圖2.（a） 鎖相環、（b） 轉換環和 （c） 直接數字頻率合成器的簡化框圖。

頻率發生組件在廣泛的應用中得到應用，這些應用對其性能提出了不同的要求。例如，通信系統需要低帶內噪聲以保持低誤差矢量幅度（EVM），頻譜分析儀依靠具有快速鎖定時間的本地振蕩器來實現快速頻率掃描，高速轉換器需要低抖動時鐘來確保高SNR性能。

倍頻器

當基頻振蕩器無法覆蓋所需范圍時，倍頻器可以產生更高的頻率。這些元件利用其元件的非線性特性來產生輸出信號，其頻率是輸入信號的諧波。根據目標輸出諧波的階數，我們可以區分倍增器、三倍器和四倍頻器以及更高階的乘法器。

用于實現倍頻的不同類型的非線性元件使我們能夠區分依賴二極管電路的無源乘法器和利用晶體管的有源乘法器。有源乘法器需要外部直流偏置，但與無源器件相比，它們具有許多顯著優勢，包括轉換增益、更低的輸入驅動電平以及更好地抑制基頻和雜散頻率。

倍頻器IC廣泛用于PLL頻率合成器設計中，特別是與VCO結合使用，或作為本地振蕩器信號路徑的一部分，為提高頻率提供了一種簡單而廉價的解決方案。然而，所有類型的倍頻器都有相同的缺點：它們將相位噪聲降低至少20log（N） dB，其中N是乘法因子。例如，倍頻器將使相位噪聲水平提高至少6 dB，這在高速轉換器時鐘和其他相位噪聲和抖動敏感應用中至關重要。3

分頻器和預分頻器

分頻器將較高的輸入頻率轉換為較低的輸出頻率。如今，這些類型的組件絕大多數是使用二進制計數器或移位寄存器實現的數字電路。它們廣泛集成在時鐘分配電路和PLL頻率合成器設計中，在許多應用中都有應用。分頻器可以具有固定分頻比（此類分頻器也稱為預分頻器）或可編程分頻比。分頻比為N，可將輸出信號的相位噪聲改善20log（N） dB。然而，這種改進受到分頻器本身的加法階段的限制，該相源自其有源電路并累加到其輸出。一個好的分頻器具有低加性相位，這與低諧波含量一起屬于其一些關鍵特性。

射頻混頻器

基本形式的RF混頻器是一個3端口元件，它使用非線性或時變元件產生包含兩個輸入信號的和差頻率的輸出信號。我們通?？梢詤^分無源混頻器和有源混頻器。無源混頻器使用二極管元件或用作開關的FET晶體管，而有源混頻器則依靠基于晶體管的電路來實現頻率轉換。無源混頻器可以提供寬帶寬和高線性度性能，不需要外部直流偏置，并且通常比有源混頻器具有更好的噪聲系數。然而，無源混頻器表現出轉換損耗，并且依賴于高LO輸入功率，而有源混頻器則提供增益并需要明顯較低的LO驅動電平。作為下變頻器或上變頻器實現的替代設計可以結合無源混頻器內核和有源電路，以實現轉換增益，而不會影響噪聲系數和線性度。4

混頻器IC可以采用各種不同的設計，最基本的是單端（或不平衡）?；诙O管的單端混頻器的概念拓撲如圖3a所示。單端混頻器僅使用一個非線性元件來完成頻率轉換，這提供了一種簡單的解決方案，但由于端口之間的隔離性差和高雜散水平，性能有限。平衡混頻器設計通過利用其電路的對稱特性來克服這些限制。根據對稱程度，平衡混頻器可分為單平衡、雙平衡和三平衡。單平衡混頻器（見圖3b）由兩個非平衡混頻器組成，結合90°或180°混合。這種類型的混頻器提供高LO-RF隔離，抑制RF或LO信號，并抑制輸出中的LO諧波。使用各種類型的雙平衡混合器可以進一步提高性能。一個常見的例子，如圖3c所示，在四環配置中使用四個肖特基二極管，混合二極管放置在RF和LO端口。雙平衡混頻器具有較高的整體性能，這使其成為廣泛使用的RF混頻器IC，因為它們具有良好的端口間隔離，抑制RF和LO頻率，并抑制所有甚至RF和LO諧波。5使用三重平衡混頻器可以實現更高的隔離度和線性度。這種類型的混頻器結合了兩種雙平衡設計，形成了更高的對稱性，以優化變頻過程，但代價是電路復雜性顯著增加。

圖3.（a） 單端、（b） 單平衡、（c） 雙平衡和 （d） 鏡像抑制混頻器的概念拓撲。

同相正交（I/Q）混頻器是平衡設計的一個單獨類別。I/Q混頻器利用相位消除功能消除不需要的鏡像信號，無需外部濾波。普通I/Q混頻器通?？梢宰鳛橄伦冾l模式下的鏡像抑制混頻器（IRM）或上變頻模式下的單邊帶（SSB）混頻器。集成緩沖器和驅動器放大器的I/Q混頻器僅設計用于兩種工作模式之一，可將其分為I/Q下變頻器和I/Q上變頻器。這些混頻器與另一種稱為I/Q調制器和I/Q解調器的變頻IC密切相關。I/Q調制器和I/Q解調器提供高阻抗差分基帶接口，設計用于數據轉換器，非常適合直接變頻收發器應用。特別是，它們構成了現代高度集成RF收發器IC的核心。6

我們應該簡要提及的混頻器類型的另一個常見示例是次諧波混頻器。它集成了次諧波泵浦本振，為使用較低LO頻率實現高頻RF設計提供了一種簡單的解決方案，無需外部倍頻器。

還有許多其他類型的RF混頻器實現依賴于有源和無源技術。RF混頻器IC可以使用復雜的架構，在一個封裝中集成各種組件，包括PLL/VCO、放大器、倍頻器、衰減器和檢波器，并提供數字接口來控制其功能。

射頻濾波器

RF濾波器IC幾乎可用于每個RF應用，以選擇頻譜內容中的所需頻率，其中通常還包括非線性信號鏈內產生的不需要的雜散分量和來自外部的帶外信號。因此，濾波器的關鍵功能是為目標通帶頻率提供最小衰減，并為阻帶頻率提供最大衰減以抑制不需要的信號。圖4所示的常見濾波器頻率響應類型包括低通濾波器（LPF）、高通濾波器（HPF）、帶通濾波器（BPF）和帶阻濾波器或帶阻濾波器（如果阻帶較窄，也稱為陷波濾波器）。

大多數RF應用需要跨多個頻段進行濾波，這可以使用開關濾波器組來實現。這種類型的解決方案在一個模塊中集成了開關和固定帶寬濾波器，可以設計為在阻帶抑制、線性動態范圍和開關速度方面提供出色的性能。然而，傳統的開關濾波器組具有有限的頻帶選擇能力，而且它們通常很大且成本高昂。具有連續模擬或數字調諧功能的緊湊型可調諧濾波器IC克服了這些限制，使其成為許多應用中多頻段操作的開關固定濾波器組的有吸引力的替代方案。模擬可調諧濾波器提供電壓控制，用于調整中心和/或截止頻率，而數字可調諧濾波器的所需特性可通過數字控制接口進行配置?？烧{諧濾波器可提供出色的通帶特性、良好的阻帶抑制、寬調諧范圍和快速建立時間，以滿足當今各種RF應用的苛刻要求。

圖4.濾波器頻率響應：（a）低通濾波器，（b）高通濾波器，（c）帶通濾波器和（d）帶阻濾波器。

射頻開關

RF開關是用于通過信號鏈路由高頻信號的控制組件。其關鍵功能可以通過不同類型的開關元件來實現，包括PIN二極管、FET晶體管或微加工懸臂梁。根據開關元件的排列方式，開關設計可以具有不同數量的極點（由開關控制的單獨電路）和拋出（開關可以為每個極點采用的單獨輸出路徑）。單刀 n 擲 （SPnT） 開關將信號從一個輸入路由到 n 個輸出。例如，單刀單擲 （SPST） 開關將一個輸入連接到一個輸出，提供簡單的開關功能，單刀雙擲 （SPDT） 開關將一個輸入與兩個輸出切換（參見圖 5a），單刀四擲 （SP4T） 開關將輸入信號路由到四個輸出路徑（見圖 5b）。RF開關也可以有多個極點，這種類型的開關稱為轉換開關（見圖5c）。最常見的例子是雙刀雙擲（DPDT）配置，具有兩個獨立的電路，可以連接到兩個輸出路徑之一。

RF開關設計可以具有更復雜的拓撲結構，將多個低階開關組合在一起。這些IC稱為開關矩陣或交叉點開關。它們在多個輸入和多個輸出之間提供靈活的RF信號路由。

圖5.射頻開關示例：（a） 吸收式單刀雙擲，（b） 反射式 SP4T，以及 （c） 帶有真值表示例的控制轉換開關。（注意：RFC = 射頻公共端口，CTRL = 控制電壓端口）。

無論開關配置如何，我們通常都可以區分反射開關和吸收開關（也稱為非反射或端接開關）。它們之間的主要區別在于吸收式開關包含一個匹配的負載，用于在關斷狀態下端接輸出端口，以最大限度地降低電壓駐波比（VSWR）（參見圖5a）。該特性允許吸收式開關在兩種開關模式下保持良好的回波損耗，這是反射開關無法提供的。然而，與反射式開關相比，吸收式開關的這一優勢是以較低的功率處理能力和更高的電路復雜性為代價的。

射頻開關IC可以在許多不同的技術中實現，包括硅基半導體CMOS和SOI，化合物半導體GaAs和GaN以及微機電系統（MEMS）。7,8每種技術在頻率范圍、電源處理能力、隔離、插入損耗、開關速度和建立時間等關鍵性能規格之間提供了各種權衡。例如，GaAs具有高溫性能，GaN廣泛用于高功率應用，硅基工藝在建立時間、集成能力、較低頻率特性和更高的ESD魯棒性方面占主導地位。7替代MEMS技術提供采用小芯片級封裝的微機械繼電器。它以獨特的方式實現了具有高線性度和功率的直流精密性能，權衡了開關速度、有限周期壽命和熱開關限制。

射頻衰減器

RF衰減器降低了RF信號的強度，從而實現了與放大器相反的功能。它是一個控制元件，用于調節信號鏈中的增益和平衡信號電平。RF衰減器IC通常是吸收式（傳輸型）器件。我們通?？梢詤^分具有不變衰減水平的固定衰減器和允許其調整的可變衰減器。具有一組離散衰減電平的可變衰減器IC稱為數字步進衰減器（DSA），它們通常用于粗略信號校準，這受到預定衰減步長的限制。對于精細信號控制，使用電壓可變衰減器（VVA）。與DSA相反，VVA提供衰減水平的連續調整，可以設置為給定范圍內的任何值。所有類型的RF衰減器都應在整個工作頻率范圍內提供平坦的衰減性能和良好的VSWR，而DSA還必須確保無干擾工作，以減少狀態轉換期間的信號失真。7

射頻檢波器

基本形式的集成RF檢波器是一個2端口器件，提供與施加到其輸入的RF信號功率成比例的輸出電壓信號。與基于分立二極管的檢波器實現方式相反，集成RF檢波器具有許多開箱即用的優勢，包括在寬溫度范圍內穩定的輸出電壓、更輕松的器件校準以及用于與ADC直接接口的緩沖輸出。9最常見的RF檢波器IC是標量檢波器，用于需要測量RF信號功率幅度的各種應用。標量檢波器的主要類型包括均方根功率檢波器、對數檢波器和包絡檢波器。

RMS功率檢波器提供施加到RF輸入的實際信號功率的精確均方根表示。有具有線性響應的均方根檢波器，其均方根輸出是線性響應直流電壓，而對數均方根檢波器具有“線性dB”響應，其輸出電壓隨真實RF輸入功率的每dB變化而變化相同量。這兩種類型的均方根檢波器都非常適合在不需要快速響應時間性能的應用中對具有高波峰因數隨時間變化的復雜調制信號進行波形無關的功率測量。它們通常用于平均功率監控、發射器信號強度指示 （TSSI）、接收信號強度指示 （RSSI） 和自動增益控制 （AGC）。

對數檢波器（也稱為對數放大器）將輸入RF信號轉換為精確的對數線性直流輸出電壓。對數檢測器提供非常高的動態范圍操作。這是使用連續壓縮方法實現的，該方法依賴于耦合到檢波器的限幅放大器級聯，檢波器的輸出在級聯拓撲的輸出級相加。隨著輸入功率的增加，連續的放大器一個接一個地進入飽和狀態，從而產生對數函數的近似值。對數檢測器非常適合高動態范圍應用，包括RSSI和RF輸入保護。

連續檢測對數視頻放大器 （SDLVA） 是一種特殊類型的對數檢測器，具有平坦的頻率響應以及出色的上升/下降和延遲時間，這使其成為需要極高速性能的應用的首選解決方案，包括瞬時頻率測量、測向接收器和電子智能應用。

包絡檢波器（也稱為峰值檢波器或AM檢波器）提供與RF輸入信號瞬時幅度成比例的基帶輸出電壓。包絡檢波器IC通常使用快速開關肖特基二極管實現，這使其成為需要極快響應時間的較低動態范圍應用的理想解決方案。包絡檢波器的典型應用包括PA偏置控制中的效率增強包絡跟蹤、PA線性化、快速過RF功率保護、高分辨率脈沖檢測以及I/Q調制器的LO泄漏校正。

除了標量檢波器，我們還可以識別另一類集成檢波器，稱為矢量功率測量IC。它們提供的擴展功能超出了標量功率測量功能。10矢量功率測量檢測器可以測量信號的多個參數，包括其幅度、相位和沿傳輸路徑的傳播方向（正向和反向）。這種類型的設備是眾多應用中散射參數在線測量的理想解決方案，包括無線發射器中的天線調諧、模塊化系統中的內置測試和材料分析。

結論

在RF信號鏈討論的第二部分中，我們討論并分類了一些代表典型RF信號鏈基本構建模塊的關鍵RF IC。然而，在本概述中，我們只觸及了射頻組件類型和形式的多方面多樣性的表面。RF系統日益復雜，需要更完整的信號鏈解決方案，這導致開發大量IC設計，將多個功能模塊整合到同一封裝或一個芯片上。這些器件可以集成混頻器、PLL、VCO、放大器、檢測器和其他組件，以緊湊的外形提供顯著先進的功能，并提供更簡單的設計、更低的功耗、更低的成本和更短的開發周期。

ADI公司提供業界最廣泛的RF集成電路產品組合，涵蓋從直流到100 GHz以上的整個頻譜，并適合信號鏈中的幾乎所有功能模塊。11ADI產品范圍最廣，從放大器、混頻器、濾波器和其他標準IC元件，一直到混合信號模擬前端和系統級封裝（SiP）解決方案，這些解決方案作為完整的子系統經過全面測試和驗證。ADI產品提供一流的性能，可滿足從通信和工業系統一直到測試和測量設備以及航空航天系統的各種RF應用的最苛刻要求。為了支持RF工程師在這些應用的開發過程中，ADI不僅提供RF IC，還提供整個生態系統，包括設計工具、快速原型平臺、實驗室電路參考設計、EngineerZone技術論壇和世界一流的技術支持。

審核編輯：郭婷