【導讀】分立式和集成式組件是構成各個應用領域的RF信號鏈的基礎功能性構建模塊。在本系列文章的 第一部分 ，我們討論了用于表征系統的主要特性和性能指標。然而，為了達到期望的性能，RF系統工程師還必須對各類RF器件有充分的了解，RF器件的選擇將決定最終應用中完整RF信號鏈的整體性能。
第2部分將概述典型RF信號鏈中使用的不同器件的主要類型，如圖1所示。我們的討論將限于最常見的RF集成電路(IC)，并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、頻率產生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。本文可以作為RF系統設計人員為目標應用選擇合適構建模塊的指南。
圖1.一個通用RF信號鏈。
RF放大器
放大器的主要功能是提高輸入信號的功率水平以在輸出端產生更大的信號。任何 RF放大器 的主要特性就是其增益，它描述了輸出功率與輸入功率之比。然而，最優放大器設計總是其增益、噪聲、帶寬、效率、線性度和其他性能參數的權衡結果。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，從而為具體應用場景提供優化的性能。
低噪聲放大器(LNA)經過優化，旨在提高低功率信號的電平而不引入顯著的噪聲。良好LNA在亞GHz范圍內的噪聲系數(NF)可以小于1 dB，在較高頻率下為幾個dB。信號鏈的整體噪聲系數由前幾級主導，因此LNA常常用在接收器的前端以使其靈敏度最大化。相反， 功率放大器(PA) 通常用于發射信號鏈的輸出級。其針對功率處理進行了優化，以高效率提供高輸出功率，同時保持低發熱量。
高IP3或高線性度放大器具有與PA相似的特性，提供高動態范圍性能。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，高線性度放大器可以使失真最小化，這對于實現低誤碼率至關重要。
可變增益放大器(VGA)也是針對高動態范圍應用，但能支持寬范圍的信號電平。VGA通過增益調節來控制發射信號幅度或調整接收信號幅度，從而適應信號變化。如果數據總線可提供控制參數，并且逐步增益調整對于應用不那么重要，那么應選擇 數字控制VGA 。當沒有數字控制數據可用或應用不能容忍階躍干擾時，模擬控制VGA 是首選解決方案。VGA常常用于自動增益控制(AGC)，或用于補償其他元器件的溫度或特性變化所導致的增益漂移。
如果LNA、PA、VGA和其他類型的RF放大器設計為在寬頻率范圍（高達數個倍頻程）內工作，那么這些放大器也可以歸類為 寬帶放大器。此類放大器提供寬帶放大和中等增益，常常用于寬帶應用中主信號路徑的前端級。寬帶放大器常常依賴于分布式放大器電路設計，并提供大增益帶寬積，但通常要付出效率和噪聲方面的代價。
有些RF放大器也屬于一般類別的 驅動放大器（或者就是驅動器）。驅動器是用于控制信號鏈中的另一器件（如第二放大器、混頻器、轉換器或其他元件）的放大器。驅動放大器的主要功能是調節某些工作參數，以確保相連器件擁有最佳工作條件。驅動放大器不一定要設計為驅動特定器件，但如果其用途是完成某種驅動功能，則任何RF放大器都可以被視為驅動器。類似地，我們還有一般類別的緩沖放大器（或者就是緩沖器），其用于防止信號源受負載影響。例如，緩沖放大器常用于將本振與負載隔離，以使負載阻抗變化對振蕩器性能的不利影響最小化。
考慮經典的超外差架構，在寬泛的RF放大器中，我們還可以區分出本振(LO)放大器和中頻(IF)放大器。這些放大器的主要區別是其在信號鏈中的功能目的。LO放大器用于LO路徑，以確保混頻器（通常被稱為LO驅動器或LO緩沖器）具有所需的LO驅動電平，而IF放大器則設計為較低頻率工作，因而是信號鏈中頻級的首選解決方案。
增益模塊是另一種一般類型的放大器，可用于RF、IF或LO信號路徑，能夠提供良好的增益平坦度和回波損耗。其設計常常包含內部匹配和偏置電路，因而只需極少的外部元件便可集成到信號鏈中，集成工作得以簡化。增益模塊放大器可以滿足一般用途和特殊用途需要，覆蓋各種頻率、帶寬、增益和輸出功率水平。
RF放大器的多樣性當然不限于本文中討論的那些。基于放大器特性，我們還有許多其他類型的RF放大器，其提供不同的性能特征組合，這里僅舉幾個例子：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，對數放大器本質上就是實現RF檢波功能的RF-DC轉換器（參見"RF檢波器"部分）。表1總結了我們所討論的主要放大器類型。
表1.RF放大器的一些主要類型總結
RF放大器還可以基于其他標準進行分類，例如特性、工作模式（放大器類別）、裝配或工藝技術，其完整分類超出了本文的范圍。但是，本節從RF信號鏈架構定義出發，討論了行業中采用的一些最常見類型的RF放大器。
頻率產生IC
頻率產生器件可以服務于RF信號鏈中的各種不同功能，包括頻率轉換、波形合成、信號調制和時鐘信號產生。根據IC的目標使用場景，有一些性能指標決定了其選擇，包括輸出頻率范圍、頻譜純度、穩定性和調諧速度。針對不同使用場景，有廣泛的頻率產生器件可供選擇，其中包括電壓控制振蕩器(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。
電壓控制振蕩器(VCO) 產生輸出信號，其頻率由外部輸入電壓控制。VCO的內核可以是基于不同類型的諧振器。使用高質量諧振器的單核VCO可在有限頻率范圍內提供低相位噪聲性能，而較低質量的振蕩器以寬帶操作為目標，噪聲特性很一般。使用多個切換式高質量諧振器電路的多頻段VCO是一種替代解決方案，既支持寬帶操作，又能提供低相位噪聲性能，但其代價是調諧速度較慢，因為切換不同的核需要時間。VCO通常與鎖相環配合使用。
鎖相環(PLL)或PLL頻率合成器可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。如圖2a所示，PLL包含鑒相器，其將VCO頻率的N分頻與參考頻率進行比較，并使用該差值輸出信號調節施加于VCO調諧線路的DC控制電壓。這使得任何頻率漂移都能得到即時校正，因而振蕩器能夠保持穩定操作。典型的PLL IC包含誤差檢測器——帶電荷泵的鑒頻鑒相器(PFD)——和反饋分頻器（參見圖2a中的虛線區域），另外還需要外部環路濾波器、參考頻率和VCO以構成一個完整的反饋系統，從而產生穩定的頻率。使用集成VCO的頻率合成器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組合在單個封裝中，只需要外部參考和環路濾波器就能實現所需的功能。集成式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，支持產生精確頻率。它常常包含集成功率分路器、倍頻器、分頻器和跟蹤濾波器，頻率覆蓋范圍超越了VCO的基頻范圍，達到數個倍頻程。所有這些元件的內在參數決定了輸出頻率范圍、相位噪聲、抖動、鎖定時間和其他表示頻率合成電路總體性能的特性。
轉換環路是基于PLL概念的另一類頻率合成器，但采用不同的方法實現。如圖2b所示，其反饋環路中使用的是集成下變頻混頻級，而不是N分頻器，環路增益設置為1，帶內相位噪聲極小。轉換環路IC（參見圖2b中的虛線區域）專為對抖動高度敏感的應用而設計，并與外部PFD和LO組合使用，以緊湊的尺寸實現完整的頻率合成解決方案，提供儀表級性能。
直接數字頻率合成(DDS) IC是集成PLL頻率合成器的替代方案，采用不同的原理實現。基本DDS架構的原理圖如圖2c所示。它是一種數字控制系統，包括表示時鐘信號的高精度參考頻率、創建目標波形數字版本的數字控制振蕩器(NCO)以及提供最終模擬輸出的數模轉換器(DAC)。DDS IC提供快速跳頻、精細的頻率和相位分辨率以及低輸出失真，因此特別適合于出色噪聲性能和高頻率捷變性至關重要的應用2。
圖2.(a) 鎖相環、(b) 轉換環路、(c) 直接數字頻率合成器的簡化框圖。
頻率產生器件廣泛用于對性能有不同要求的應用。例如，通信系統需要低帶內噪聲以維持低誤差矢量幅度(EVM)，頻譜分析儀依賴于具有快速鎖定時間的本振來實現快速頻率掃描，高速轉換器需要低抖動時鐘以確保高SNR性能。
倍頻器
當基頻振蕩器不能覆蓋所需頻率范圍時，使用倍頻器可以產生更高的頻率。這些器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，我們可以區分出二倍頻器、三倍頻器和四倍頻器，以及更高階的倍頻器。
用于實現頻率倍增的非線性元件有不同類型，因而我們可以區分出依賴于二極管電路的無源倍頻器和使用晶體管的有源倍頻器。有源倍頻器需要外部直流偏置，但相對于無源器件，它有若干明顯優勢，包括轉換增益、較低的輸入驅動電平和更好的基波與雜散頻率抑制。
倍頻器IC常常與VCO一起廣泛用于PLL頻率合成器設計中或作為本振信號路徑的一部分，提供簡單且廉價的頻率倍增解決方案。然而，所有類型的倍頻器都存在一個相同的缺點：相位噪聲性能會隨著倍頻系數N而惡化至少20log(N) dB。例如，二倍頻器會使相位噪聲水平增加至少6 dB，這在高速轉換器時鐘和其他對相位噪聲與抖動敏感的應用中可能很嚴重3。
分頻器和預分頻器
分頻器將較高輸入頻率變為較低輸出頻率。如今，大部分此類器件是使用二進制計數器或移位寄存器實現的數字電路。它們廣泛包含于時鐘分配電路和PLL頻率合成器設計中，應用眾多。分頻器可以有固定的分頻比（這種分頻器也稱為預分頻器）或可編程的分頻比。將頻率N分頻可以使輸出信號的相位噪聲改善20log(N) dB。然而，這種改善受分頻器本身的加性相位噪聲（源于其有源電路且會增加到其輸出端）限制。良好的分頻器具有低加性相位噪聲和低諧波成分，這些都是其關鍵特性。
RF混頻器
基本形式的 RF混頻器 是一個3端口器件，使用非線性或時變元件產生一個包含兩個輸入信號的 和頻率與差頻率的輸出信號。RF混頻器可以一般地區分為無源混頻器和有源混頻器。無源混頻器使用二極管元件，或將FET晶體管用作開關，而有源混頻器依賴于晶體管電路來實現變頻。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，而且噪聲系數一般優于有源混頻器。但是，無源混頻器存在轉換損耗，并且需要高LO輸入功率，而有源混頻器能提供增益，所需的LO驅動電平要低得多。實現下變頻器或上變頻器的替代設計可以將無源混頻器核和有源電路結合以提供轉換增益，而不會損害NF和線性度4。
混頻器IC有很多不同設計，最基本的是單端（或不平衡）。基于二極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實現頻率轉換，這種解決方案很簡單，但性能有限，因為端口和高雜散之間的隔離很差。平衡式混頻器設計利用其電路的對稱性來克服上述限制。根據對稱程度，平衡式混頻器可以分為單平衡、雙平衡和三平衡混頻器。單平衡混頻器（參見圖3b）由兩個以90°或180°混合方式結合的不平衡混頻器組成。此類混頻器提供高LO-RF隔離，可抑制RF或LO信號以及輸出端的偶數次LO諧波。使用各類雙平衡混頻器可以進一步改善性能。圖3c顯示了一個常見例子，其四環配置使用了四個肖特基二極管，RF和LO端口均放置有混合元件。雙平衡混頻器提供高整體性能和良好的端口間隔離，能夠抑制RF和LO頻率以及所有偶數次RF和LO諧波，因而是廣泛使用的一類RF混頻器IC5。三平衡混頻器可以實現更高的隔離度和線性度。此類混頻器將兩個雙平衡設計組合起來，形成更高程度的對稱性以優化變頻過程，但代價是電路復雜度顯著提高。
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)混頻器是單獨的一類平衡設計。I/Q混頻器利用相位抵消來消除干擾鏡像信號，而無需外部濾波。普通I/Q混頻器在下變頻模式（參見圖3d）下通常可以用作鏡像抑制混頻器(IRM)，在上變頻模式下可以用作單邊帶(SSB)混頻器。集成緩沖器和驅動放大器的I/Q混頻器僅針對兩種工作模式中的一種而設計，因而可以將其區分為 I/Q下變頻器 和 I/Q上變頻器。這些混頻器與另一類頻率轉換IC密切相關，稱為 I/Q調制器和I/Q解調器。I/Q調制器和I/Q解調器提供一個配合數據轉換器使用的高阻抗差分基帶接口，因而非常適合于直接變頻收發器應用。具體而言，它們構成了現代高集成度RF收發器IC的核心6。
我們還要簡要提及的一類常見混頻器是 次諧波混頻器。它采用次諧波泵本振，為使用較低LO頻率而無外部倍頻器的高頻RF設計提供一種簡單的解決方案。
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，其在一個封裝中集成各種元件，包括PLL/VCO、放大器、倍頻器、衰減器和檢波器，并提供數字接口以控制其功能。
RF濾波器
RF濾波器IC幾乎在每種RF應用中都有使用，它能在頻譜（通常還包括非線性信號鏈內產生的干擾雜散成分和源自外部的帶外信號）中選擇所需的頻率。因此，這種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顯示了常見類型的濾波器頻率響應，包括低通濾波器(LPF)、高通濾波器(HPF)、帶通濾波器(BPF)和阻帶濾波器（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濾波，這可以利用開關式濾波器庫實現。此類解決方案在一個模塊中包含開關和固定帶寬濾波器，可以在阻帶抑制、線性動態范圍和切換速度方面提供出色的性能。然而，傳統開關式濾波器庫的頻段選擇能力有限，而且通常很大且昂貴。具有連續模擬或數字調諧功能的緊湊型 可調濾波器IC 克服了這些限制，對于許多應用中的多頻段操作，它是開關式固定濾波器庫的有吸引力的替代方案。模擬可調濾波器提供電壓控制來調整中心和/或截止頻率，而數字可調濾波器的期望特性可以通過數字控制接口來配置。可調諧濾波器可以提供優異的通帶特性、良好的阻帶抑制、寬調諧范圍和快速建立時間，滿足當今廣泛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，(d) 帶阻濾波器
RF開關
RF開關是用于路由高頻信號通過信號鏈的控制器件。其關鍵功能可以利用不同類型的開關元件實現，包括PIN二極管、FET晶體管或微機械懸臂梁。根據開關元件的布置方式，開關設計可以有不同數量的"刀"（由開關控制的單獨電路）和"擲"（開關可以為每個"刀"使用的單獨輸出路徑）。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)開關將一個輸入連接到兩個輸出（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（參見圖5b）。RF開關還可以有多個"刀"，此類開關稱為轉換開關（參見圖5c）。最常見的例子是雙刀雙擲(DPDT)配置，其具有兩個單獨的電路，這些電路可以連接到兩個輸出路徑中的一個。
RF開關設計可以有更復雜的拓撲結構，其將多個較低階的開關組合在一起。此類IC稱為開關矩陣或交叉點開關，可在多個輸入和多個輸出之間提供靈活的RF信號路由。
圖5.RF開關示例：(a) 吸收式SPDT、(b) 反射式SP4T和 (c) 控制轉換開關及真值表示例。（注意：RFC = RF公共端口，CTRL = 控制電壓端口）。
無論開關配置如何，我們都可以區分出反射式開關和吸收式開關（也稱為非反射式或端接開關）。其主要區別在于，吸收式開關包含一個匹配負載，用于端接關斷狀態下的輸出端口，以使電壓駐波比(VSWR)最小（參見圖5a）。此特性使得吸收式開關在兩種開關模式下均能保持良好的回波損耗，這是反射式開關所不能提供的。然而，與反射式開關相比，吸收式開關的這個優點的代價是功率處理能力較低且電路復雜性較高。
RF開關IC可以采用多種不同技術實現，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、功率處理能力、隔離、插入損耗、開關速度、建立時間等關鍵性能規格方面都有自己的優缺點。例如，GaAs的高溫性能更優越，GaN廣泛用于高功率應用，硅基工藝在建立時間、集成能力、低頻特性和高ESD魯棒性等方面勝出7。替代性MEMS技術在很小的芯片級封裝中提供微機械繼電器，獨特地支持直流精度性能，具有高線性度和功率，而開關速度、有限周期壽命和熱切換限值方面較差。
RF衰減器
RF衰減器可降低RF信號的強度，實現與放大器相反的功能。它是用于調整信號鏈中的增益和平衡信號電平的控制器件。RF衰減器IC通常是吸收式（傳輸型）器件。我們可以一般地區分出 固定衰減器（具有不變的衰減水平）和可變衰減器（支持調整衰減水平）。具有一組離散衰減水平的可變衰減器IC稱為 數字步進衰減器(DSA)，其通常用于信號粗略校準，受預定衰減步長的限制。 電壓可變衰減器(VVAS) 用于控制精細信號。與DSA相反，VVA支持連續調整衰減水平，可以將其設置為給定范圍內的任何值。所有類型的RF衰減器在工作頻率范圍內都應以良好的VSWR提供平坦的衰減性能，而DSA還必須確保無故障操作以減少狀態轉換期間的信號失真7。
RF檢波器
基本形式的集成式 RF檢波器 是一個2端口器件，提供與施加于輸入端的RF信號功率成比例的輸出電壓信號。與基于二極管的分立檢波器實現相反，集成式RF檢波器提供多種開箱即用的優勢，包括寬溫度范圍內的穩定輸出電壓、更容易的器件校準和用于與ADC直接接口的緩沖輸出9。最常見RF檢波器IC是各類需要測量RF信號功率幅度的應用中使用的標量檢波器。標量檢波器的主要類型包括RMS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于RF輸入的實際信號功率的精確rms表示。有 線性響應rms檢波器，其rms輸出是線性響應的直流電壓，還有 線性dB響應的對數rms檢波器，實際RF輸入功率每改變1 dB，其輸出電壓也改變相同的量。這兩類rms檢波器非常適合不需要快速響應時間的應用，測量復數調制信號（其高波峰因數隨時間而變化）的波形無關功率。它們通常用于平均功率監測、發射信號強度指示(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。對數檢波器提供非常高的動態工作范圍。這是利用連續壓縮方法實現的，依賴于一系列耦合到檢波器的級聯限幅放大器，其輸出在級聯拓撲結構的輸出級加總。隨著輸入功率增加，連續放大器逐漸進入飽和，從而生成對數函數近似值。對數檢波器非常適合于高動態范圍應用，包括RSSI和RF輸入保護。
連續檢波對數視頻放大器(SDLVA)是一種特殊類型的對數檢波器，提供平坦的頻率響應和優越的上升/下降與延遲時間，因而是要求超高速性能的應用（包括瞬時頻率測量、方向查找接收器和電子智能應用）的首選解決方案。
包絡檢波器（也稱為峰值檢波器或AM檢波器）提供與RF輸入信號的瞬時幅度成比例的基帶輸出電壓。包絡檢波器IC通常利用快速切換肖特基二極管實現，因而是需要非常快速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、快速過大RF功率保護、高分辨率脈沖檢測和I/Q調制器的LO泄漏校正。
除了標量檢波器外，還有一種稱為 矢量功率測量IC的集成檢波器。它們提供超出標量功率測量功能的擴展能力10 。矢量功率測量檢波器可以測量信號的多個參數，包括幅度、相位和沿著傳輸路徑的行進方向（前向或反向）。 在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等應用中，此類器件是在線測量散射參數的理想解決方案。
結論
在RF信號鏈系列的第二部分中，我們討論了代表典型RF信號鏈的基本構建模塊的一些主要RF IC，并進行了分類。但是，在此概述中，我們僅觸及了各種類型和形式的RF器件的皮毛。越來越復雜的RF系統需要更完整的信號鏈解決方案，這導致了將多個功能模塊整合在同一封裝中或一個芯片上的眾多IC設計的發展。這些器件可以集成混頻器、PLL、VCO、放大器、檢波器和其他器件，以緊湊的外形尺寸提供高度先進的功能，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。
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參考電路
1 Ian Collins和David Mailloux。"頻率合成技術的變革和發展：PLL/VCO技術如何提升性能、減小尺寸并簡化設計周期" 。ADI公司，2020年1月。
2 Jim Surber和Leo McHugh。"單芯片直接數字頻率合成與模擬PLL"。《模擬對話》，第30卷第3期，1996年7月。
3 Hittite Microwave Corp。"簡化頻率合成器的有源倍頻器和分頻器" 。Microwave Journal，2002年11月。
4 Thomas Schiltz、Bill Beckwith、Dong Wang和Doug Stuetzle。"在下變頻器應用中無源混頻器相比于有源混頻器可提高增益并降低噪聲" 。ADI公司，2010年10月。
5 David M. Pozar。 Microwave Engineering（微波工程），第4版，Wiley，2011年。
6 Abhishek Kapoor和Assaf Toledano。"混頻器面貌之變遷" 。ADI公司，2016年9月。
7 Bilge Bayrakci。"采用硅技術的射頻和微波控制產品"。ADI公司，2016年3月。
8 Eric Carty、Padraig Fitzgerald和Padraig McDaid。"ADI公司的革命性MEMS開關技術基本原理"。ADI公司，2016年11月。
9 Eamon Nash。" 理解、操作基于二極管的集成式RF檢波器并與之接口" 。ADI公司，2015年11月。
10 Eamon Nash和Eberhard Brunner。"帶兩個RMS檢波器的集成雙向橋，用于測量RF功率和回波損耗" 《模擬對話》，第52卷第2期，2018年5月。
11 "2020年RF、微波和毫米波產品選型指南"。ADI公司，2020年8月。
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