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在宽带无线通信系统中,功率放大器(Power Amplifier, PA)需要满足相对带宽大于25%、带内增益平坦度良好的严苛要求。然而,受限于MOS管寄生电容等非线性参数的影响,传统PA难以在宽频带内实现良好的输入输出匹配。针对这一挑战,负反馈技术被广泛应用于宽带PA设计中,通过牺牲部分增益换取带宽扩展和增益平坦度优化。

一、正反馈与负反馈

在晶体管电路中,负反馈与正反馈是两种关键的反馈机制。负反馈指通过特定回路将晶体管输出端的信号返回至输入端,并与输入信号进行反相叠加运算,从而减小输入端的信号幅度;而正反馈则是反馈信号与输入信号进行同相叠加,导致输入端信号幅度增强。

负反馈在放大器中的作用机制具有显著的频率选择性。在低频段,负反馈会将与输入信号反相的输出信号耦合至输入端,通过反相叠加降低输入信号幅度,从而抑制低频段的增益;而在高频段,反馈路径则将与输入信号同相的输出信号引入输入端,通过同相叠加增强输入信号幅度,提升高频段增益。这种频率响应特性使放大器在宽频带范围内实现增益平坦化,确保不同频率信号的放大一致性。

负反馈技术还具有多重优势:一方面能显著提高放大电路的稳定性,抑制非线性失真;另一方面可有效降低输入输出端口的驻波比,改善阻抗匹配性能。然而其应用也存在局限性:反馈回路中的电阻元件会引入额外损耗,导致放大器输出功率下降;同时,反馈网络可能引入额外噪声,使系统噪声系数有所增加。这种技术优势与局限并存的特性,要求设计者在具体应用中需权衡性能需求与实现条件。

二、负反馈电路的工作原理

1.1 基本电路拓扑

图1展示了两种典型的并联-并联负反馈结构。其中RLC型(图1a)通过电阻、电感、电容构建反馈网络,而RC型(图1b)省略了补偿电感,图3c为串联型。由于RC结构在工艺实现和参数调节方面更具优势,成为宽带PA设计的首选方案。

图1(a)图2(b)
并联负反馈:

在晶体管并联负反馈电路中,通过将RLC串联网络(电阻Rf、电感Lf、电容Cf)并联于漏级与栅极之间,可实现对放大器增益的动态调节。在低频段,电感Lf呈现低阻抗特性,反馈信号主要经电阻Rf传输至输入端,此时通过调整Rf的阻值可精准控制反馈量,从而抑制低频增益。进入高频段后,电感Lf的高阻抗特性显著削弱了反馈信号的传输,同时高频反馈信号与输入信号的相位差小于90°,叠加后反而增强了高频增益,最终使放大器在宽频带内的增益趋于平坦。电容Cf作为隔直元件,既防止了偏置电流进入输入端,又通过调节其电容值可灵活调整反馈回路的相位响应,进一步优化了电路的频率特性。这一设计兼顾了增益平坦化与相位控制,为放大器的宽带性能提供了有效保障。

串联负反馈:在串联负反馈电路中,电阻Rs
作为偏置网络的核心元件,用于稳定放大器的静态工作点,而电容Cs
则需选择足够大的电容值,确保工作频段内的交流信号对地短路,从而隔离直流偏置。为避免传输线效应带来的阻抗失配,Rs和Cs
的物理尺寸需尽可能缩小,并与晶体管管脚紧密连接。这一设计通过增大放大器端口阻抗的实部,显著提升了电路的稳定性,同时缩小了最佳噪声阻抗与实际端口阻抗的差异,使噪声匹配与阻抗匹配得以同步优化。实践中,Rs
常被微带线替代,通过仿真分析调整微带线的阻抗参数,可进一步优化输入阻抗特性。这种方案在保持高频段增益不受损失的前提下,有效增强了放大器的宽带稳定性,为高频应用提供了更灵活的电路设计空间。

图2(c)

2.2 核心元件功能解析(针对并联型负反馈)

  • 电阻R
    ① 作为反馈强度的调节器,阻值与增益成反比(R↑→增益↑)
    ② 通过低频信号反馈抵消部分输入信号,实现"以增益换带宽"
    ③ 引入正斜率增益响应,补偿高频滚降现象

  • 电容C
    提供直流隔离,阻断漏极偏置电流进入栅极电路

  • 电感L(RLC型特有)
    在高频段引入感性补偿,扩展带宽上限

1.3 系统级作用

  • 带宽扩展:通过降低低频增益(约3dB/oct斜率)与补偿高频滚降,实现增益曲线平坦化

  • 阻抗调节:将输入/输出阻抗降低至50Ω附近,简化匹配网络设计

  • 稳定性提升:抑制潜在振荡条件,改善K因子等稳定性指标


以下实验copy 博主RF小白


二、RC负反馈对PA性能的量化影响

2.1 实验条件设定

选取Ampleon BLF647P LDMOS功放管进行ADS仿真:

  • 偏置条件:

  • VGS=3.3VVDS=28V

  • 工作带宽:30-520MHz(相对带宽>175%)

  • 对比方案:无反馈(开环) vs RC反馈(R=4.7Ω,C=300pF)

  • 图片

2.2 小信号增益特性

图3仿真结果表明:

  • 无反馈状态:低频增益达40dB(30MHz),但在520MHz骤降至13dB,滚降斜率-0.068dB/MHz

  • 图片

  • RC反馈引入后

    • 全频段增益稳定在15.5-17.3dB(波动<2dB)

    • 低频增益降低23dB,高频增益提升2.3dB,实现带宽扩展与增益均衡

2.3 阻抗特性变化

表1 输入/输出阻抗对比(200MHz)

状态 输入阻抗(Ω) 输出阻抗(Ω)
无反馈 1.81-j0.95 4.56-j2.16
RC反馈 0.40+j0.56 0.81+j1.65

图4阻抗曲线显示:


  • 图片

2.4 稳定性改善

通过K-Δ稳定性准则分析(图5):

  • 无反馈状态

    • K因子在300MHz附近接近临界值1.0

    • Δ参数在480MHz时达0.92,存在潜在振荡风险

  • RC反馈引入后

  • 图片


三、设计权衡与优化策略

3.1 性能折衷关系

  • 增益-带宽积守恒:反馈网络使增益降低约50%,但带宽扩展4.3倍

  • 噪声系数劣化:典型值增加1.2-1.8dB,需在前级增加LNA补偿

  • 效率下降:附加元件引入约5%的直流功耗


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