一般来说，射频(RF)是指用来进行无线传输的频率，范围包括从大约10kHz的实际低频到 300GHz 以上。在 100kHz 以上，放大器经常在输人端、输出端或负载端采用调谐电路，因此很多人喜欢将工作在 100kHz 以上的放大器称作RF放大器。在高频，放大器只用来为那些在一定频段内的频率提供增益。本节将给出高频放大器的一些实际考虑因素。下一节将会介绍高频信号如何通过变压器从一级耦合到另一级。

学完本节后，你应该掌握以下内容:

• 描述高频放大器的特性并给出实现高频电路时的实际考虑因素
  • 解释当在高频工作时传输线的需求
  • 在给定每单位长度电感和电容的情况下，求电缆的特性阻抗
  • 解释终止电缆的正确方法以避免反射
  • 描述 RF 放大器重要的交流参数
  • 解释中和的意思
  • 解释 AGC 如何工作

5.2.1传输线

当高频信号或者快速上升的数字信号从某一点传输到另一点时，传输线将会产生很多不利的影响，比如信号的衰减、高频响应的下降和噪声的增加。对于几英寸长的信号路径来说，当信号频率在大约100MHz以上或数字信号的上升时间小于约4ns时，这些影响将尤为重要。

考虑由两条电线组成传输线，用它来将一个高频信号从一个点发送到另一个点。电线会有一个电感L，它沿着电线方向为串联形式，同时也会有一个电容C，它在两个传导线之间以并联方式存在。(两个导体用一个绝缘体来分隔形成一个电容。)在高频时，串联的电感上升，而并联的电容下降。电线上的电感和电容不是集中在某一点的，它是分布在整个导线上。

$$ a）一小段传输线的等效电路~~~~~~~~~~~~~~b）三段等效传输线串联 $$

$$ 图5-6~~~高频传输线的等效电路 $$ 图5-6a描述了一小段传输线的等效电路，其中电感和电容画成了分立元件，但是要知道的是，电感和电容是平均分布在整个导线上的。电感被分成了 4 个小电感，每个小电感的电感值是 $L/4$。电容值为C。此外还存在电阻值，但是在高频时，电阻对阻抗产生较小的贡献，因此可以忽略。

为了帮助理解传输线，对一小段等效电路进行扩展，扩展到由一系列小段分立电感和电容连接在一起的情况，如图5-6b所示。如果加长等效电路，会发现一个很有趣的现象;当段数大于10后，再继续增加段数，传输线的阻抗几乎不变。也就是说，阻抗不取决于传输线的长度。这个固定的阻抗值称为传输线的特征阻抗。在高频时，传输线的特征阻抗可表示为: $$ Z_0=\sqrt[]{\frac{L}{C}}~~~(5-1) $$ 式中，$Z_0$ 为传输线的特征阻抗，单位为欧姆(Ω); L为单位长度的电感值。单位为亨利(H); C为单位长度的电容值。单位为法拉(F)。

注意，L和C必须是相同长度的数值。由于公式取的是比值，因此使用多少长度没有关系，只要电感和电容使用的长度一样就可以。电缆的阻抗是几何尺寸和用来构造电缆的介质类型的函数。对于高频应用来讲，有各种不同类型的电缆。它们应该都有较大的带宽和一个与长度无关的固定阻抗。

一类常见的高频传输线是同轴电缆。同轴电缆由一根轴芯和包围在轴芯外面的导体屏蔽层组成。在高频时，这个屏蔽层可以起到屏蔽的作用，可以用来屏蔽轴芯内的信号向外辐射而导致信号的衰减，同时也可以防止外部的信号对轴芯内的信号造成干扰。不同的同轴电缆有不同的特性，比如功率、高频特性和特征阻抗等。

在给定系统中，安装所要求的电缆类型非常重要。比如，视频系统标准中使用 75 欧姆的同轴电缆。不同的电缆有不一样的特征阻抗，对于同轴电缆来说，典型范围为 50~100Ω，对于并联导体可以达到几百欧姆。

由于它的带宽比较宽，因此同轴电缆用于很多通信系统中，其中许多不同的声音频道可以放在相同的电缆上。频分滤波器允许在同一时刻进行双向传输。

5.2.2终止传输线

在高频下，即使一小段传输线相对于信号波长来说也可能是很长的。当来自信号源的信号(入射波)到达传输线终端时，它会被反射回到信号源(反射波)。入射波和反射波沿着线长互相作用，在线上形成驻波。驻波是由人射波和反射波相互作用形成的稳态波。

驻波会对电视信号产生诸如叠影之类的不期望影响而且会增加噪声。为了防止驻波需要在终端加上一个和传输线特征阻抗相同的电阻负载。当传输线以该方式终止时，整个传输线对于信号源而言呈现电阻特性。当传输线正确终止时，所有信号功率都消耗在终端的负载电阻上。不正确的终止可能会产生反射以及导致错误的信号电平。

5.2.3 高频考虑

电感效应 在高频(大约10MHz以上)时，传输线不再是一条简单的导电通路，而成为一个有效的电感。这是由于趋肤效应造成的，趋肤效应会导致电流移动到导体的外表面。这种电感通常不是我们所需要的，因为它会增加传输线的电抗并增加电路中的噪声. 为了避免电感的不利影响，高频电路中的电线应该尽可能的短.

电容效应 在高频的时候，由于电容效应不断增加，晶体管放大器可能会越来越无效。所有有源器件在它们的各极之间都有内部电容。这些内部电容对于高频模拟信号而言相当于低阻抗通路，因此降低了这些器件的有效性。在数字电路中，内部电容限制了脉冲从一个电平变化到另一个电平的速度。因此专门设计了高频晶体管来减小内部电容。

电容的不利影响会被反相放大器(如共源或共射放大器)放大，因为它会形成一种称为米勒效应的正反馈。因此在高频电路中要尽量减小电容值，这可以通过让传输线尽可能短以及避免使用高增益的反相放大器来实现。

电容的另外一个影响是在高频放大器中产生不期望的振荡。振荡可以通过中和的办法来消除，这在后面将会详细讲述。

5.2.4 调谐放大器

带谐振电路的放大器在通信系统中很常见，因为通信系统采用很高的频率。大于 100kHz 的频率通常称为射频或RF。工作在这些频段的放大器被称为射频(RF)放大器对于低频放大器求直流偏置状态的方法同样适用于射频放大器，但对于交流分析需要做些修正。低频放大器是非谐振的，它们用来放大较宽频率范围的信号。

调谐放大器则不同，它们用来放大特定的频段，并消除频段之外的信号。它们使用并联 LC 谐振电路作为负载，在谐振频率时，它对交流信号呈现较高的阻抗，因此产生较高的增益。谐振电路的中心频率(假设 Q 很大)可利用基本的谐振频率方程计算得到。 $$ f_r=\frac{1}{2\pi \sqrt[]{LC}}~~~(5-2) $$

调谐放大器的带宽是由谐振电路的 Q(品质因数)决定的。品质因数(Q)是一个无量纲的数值，它是一个周期内储存的最大能量和一个周期内损耗的能量的比值。从实际角度来讲，品质因数几乎总是由电感决定，因此 Q 经常表示为电感 $X_L$ 和电阻R的比值。它也可以表示为中心频率 $f_r$ 和带宽 BW 的比值: $$ Q=\frac{X_L}{R}=\frac{f_r}{BW}~~~(5-3) $$

$$ 图5-7~~~并联谐振电路中阻抗与频率的函数关系 $$ 并联电路的响应取决于电路的 Q 值，如图5-7所示。RF电路的 Q 值取决于电感的类型，对于铁氧体磁心电感来讲，Q 的范围为50～250; 而对于空气磁心的电感来讲，则更高。

$$ 图5-8~~~调谐射频放大器 $$ 一个使用 JFET 的基本调谐射频放大器如图5-8所示。栅极和漏极电路都包含并联谐振电路，该谐振电路由变压器绕组和电容组成。(变压器耦合在5.3节中讨论。)栅极和漏极之间的虚线电容代表晶体管的内部电容，其电容值只有几皮法。漏极电路对交流信号有很高的阻抗，但直流静态电流能够很容易穿过变压器一次绕组，对于直流来讲，它相当于一个很小的电阻。

`虽然栅极和漏极之间的内部电容很小，但在高频下它可能在输出和输入之间产生较大的正反馈(同相)，从而使放大器产生振荡。为了防止这样的现象发生，有必要采用中和电路，特别是在高阻抗电路中。

$$ 图5-9~~~哈泽泰中和电路。C_n抵消了内部电容 $$ 中和是加入相同量的负反馈(反相)来抵消放大器中由于内部电容所产生的正反馈相的过程。图5-9给出了一个常见的中和电路，叫哈泽泰中和电路。哈泽泰中和电路的原理就是通过调节中和电容 $C_n$ 产生适当的负反馈来抵消不期望的正反馈。可以看到漏极电源通过一个中心抽头变压器进行连接。

$$ 图5-10~~~使用双栅极D-MOSFET的射频放大器 $$ 图5-10给出了另一个常见的 RF 放大器，它利用双栅极 D-MOSFET 来放大天线号。双栅极配置简化了向电路增加自动增益控制(AGC)的过程，因为信号已经结合在 MOSFET 中。当接收到一个大信号的时候，AGC 会减小增益﹔当收到一个小信号时 AGC 会增大增益。RF 信号连接到双栅极器件下面的栅极，而上面的栅极用来控制增益 AGC 信号是一个来自于放大器后级的负直流电压。AGC 电压和输入信号强度成正比。个大的输人信号会产生一个大的 AGC 电压，从而趋向于夹断沟道并因此减小增益。