射頻電路設計中阻抗匹配的必要性

到目前為止,我們已經強調了阻抗匹配在射頻電路設計中的重要性。 這是因為射頻電路設計的主要任務是功率傳輸或功率控制。 為了最大限度地提高功率傳輸效率而又不發生相移,阻抗匹配就成為了一項不可或缺的技術。 對於大多數射頻電路模塊而言,輸入阻抗必須與前一級電路的輸出阻抗相匹配,其輸出阻抗必須與下一階段的輸入阻抗相匹配。

沒有人會懷疑阻抗匹配在RF或RFIC設計中的重要性。 然而,阻抗匹配又存在一些悖論。 例如,

• 是否有必要將阻抗從一部件匹配到另一個部件?

• 在阻抗匹配網絡中,部件之間的阻抗一般不匹配。 是否有必要在網絡本身的兩個部分之間插入“子阻抗匹配網絡”?

• 是否所有的射頻功能模塊都需要阻抗匹配?

等等。

為了回答這些問題,我們應該回到阻抗匹配的目標:它們是(一)最大限度地提高功率傳輸,(二)消除功率傳輸中的相移。 因此,功率傳輸單元之間需要阻抗匹配,但各個部件之間不需要阻抗匹配。

如果阻抗匹配網絡由多個部分組成,則意味著網絡中的所有部件都必須進行合作,以最大限度地提高功率傳輸效率和消除相移。 換句話說,阻抗匹配網絡,而不是單獨的部件,而是一個不可分割的基本實體或一個“最小單元”。它們的部件在功率傳輸的過程中是不可分割的。 各個部件之間的進行阻抗匹配是毫無意義的。

一般來說,必須在兩個基本的功率傳輸單元之間進行阻抗匹配。

有兩個例外情況我們沒有這樣做,它們分別是:

1. 這兩個基本的功率傳輸單元結合在一起,用於特殊的性能要求。

2. 阻抗不可能匹配,也不能匹配:例如從VCO(電壓控制振盪器)或振盪器的輸出到下一個電路塊的輸入。

讓我們舉例來說明這一點。

射頻電路設計中阻抗匹配的必要性

圖1

圖1、 源跟隨器(忽略直流偏置)(a)原始的源跟隨器;(b) “改進”的源跟隨器

示例1:圖1(a)顯示了一個源跟隨器,其輸出沒有阻抗匹配(忽略直流偏置)。 它由MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)和輸出電阻R0組成的 。 看圖2(A)中晶體管的發射極,可以看出其阻抗為Zx 通常不是採用消除電阻R0那樣的共軛阻抗匹配。 如果在MOSFET的源和輸出電阻R0之間插入阻抗匹配網絡,是否對功率傳輸有好處? 如圖1(b)所示。

答案是:不會,因為單個MOSFET或輸出電阻不是基本的或 獨立的功率傳輸單元。 兩者結合在一起構成一個基本的功率傳輸單元,它們之間是不可分割的..


示例2:圖2顯示了CS-CG級聯LNA(低噪聲amplifier).. 如果在CS晶體管的集電極和CG晶體管的發射極之間插入匹配網絡,是否有功率傳輸方面的優點?

射頻電路設計中阻抗匹配的必要性

(a)


射頻電路設計中阻抗匹配的必要性

(b)

圖2、 一個MOSFET級聯放大器。 (a)初始的MOSFET級聯放大器; (b)在兩級放大器之間插入阻抗匹配網絡;

在圖2(A)中,第一個功率傳輸單元由CS晶體管和與其源和柵極連接的部件組成,第二功率傳輸單元由CG晶體管和與其漏極連接的部件組成的。 這些是功率傳輸過程中的獨立單元。 如果在CS晶體管的集電極和CG晶體管的發射極之間插入阻抗匹配網絡,如圖3(B)所示,那麼其好處是有可能能最大限度地提高功率傳輸效率。 然而,CS-CG級聯配置將受到插入的阻抗匹配網絡的嚴重干擾:那就是它的特殊特性,即輸入米勒電容(Miller capacitance)的最小化的特徵被移除或被大大地退化。 所以最好不要在CS晶體管的集電極和CG晶體管的發射極之間插入這樣的阻抗匹配網絡。


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