增加信號(hào)幅度或功率的裝置,它是自動(dòng)化技術(shù)工具中處理信號(hào)的重要元件。放大器的放大作用是用輸入信號(hào)控制能源來實(shí)現(xiàn)的,放大所需功耗由能源提供。對(duì)于線性放大器,輸出就是輸入信號(hào)的復(fù)現(xiàn)和增強(qiáng)。對(duì)于非線性放大器,輸出則與輸入信號(hào)成一定函數(shù)關(guān)系。放大器按所處理信號(hào)物理量分為機(jī)械放大器、機(jī)電放大器、電子放大器、液動(dòng)放大器和氣動(dòng)放大器等,其中用得最廣泛的是電子放大器。隨著射流技術(shù)(見射流元件)的推廣,液動(dòng)或氣動(dòng)放大器的應(yīng)用也逐漸增多。電子放大器又按所用有源器件分為真空管放大器、晶體管放大器、固體放大器和磁放大器,其中又以晶體管放大器應(yīng)用最廣。在自動(dòng)化儀表中晶體管放大器常用于信號(hào)的電壓放大和電流放大,主要形式有單端放大和推挽放大。此外,還常用于阻抗匹配、隔離、電流-電壓轉(zhuǎn)換、電荷-電壓轉(zhuǎn)換(如電荷放大器)以及利用放大器實(shí)現(xiàn)輸出與輸入之間的一定函數(shù)關(guān)系(如運(yùn)算放大器)。

原理:高頻功率放大器用于發(fā)射機(jī)的末級(jí),作用是將高頻已調(diào)波信號(hào)進(jìn)行功率放大,以滿足發(fā)送功率的要求,然后經(jīng)過天線將其輻射到空間,保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)可以接收到滿意的信號(hào)電平,并且不干擾相鄰信道的通信。

高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種,窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路,故又稱為調(diào)諧功率放大器或諧振功率放大器;寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路,因此又稱為非調(diào)諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件,它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出在 "低頻電子線路"課程中已知,放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同,將其分為甲、乙、丙三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的流通角為360o,適用于小信號(hào)低功率放大。乙類放大器電流的流通角約等于 180o;丙類放大器電流的流通角則小于180o。乙類和丙類都適用于大功率工作丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高者。高頻功率放大器大多工作于丙類。但丙類放大器的電流波形失真太大,因而不能用于低頻功率放大,只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載的諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力,回路電流與電壓仍然極近于正弦波形,失真很小。

鎖相放大器實(shí)際上是一個(gè)模擬的傅立葉變換器,鎖相放大器的輸出是一個(gè)直流電壓,正比于是輸入信號(hào)中某一特定頻率(參數(shù)輸入頻率)的信號(hào)幅值。而輸入信號(hào)中的其他頻率成分將不能對(duì)輸出電壓構(gòu)成任何貢獻(xiàn)。

兩個(gè)正弦信號(hào),頻率都為1Hz,有90度相位差,用乘法器相乘得到的結(jié)果是一個(gè)有直流偏量的正弦信號(hào)。

如果是一個(gè)1Hz和一個(gè)1.1Hz的信號(hào)相乘,用乘法器相乘得到的結(jié)果是輪廓為正弦的調(diào)制信號(hào),直流偏量為0。

只有與參考信號(hào)頻率完全一致的信號(hào)才能在乘法器輸出端得到直流偏量,其他信號(hào)在輸出端都是交流信號(hào)。如果在乘法器的輸出端加一個(gè)低通濾波器,那么所有的交流信號(hào)分量全部被濾掉,剩下的直流分量就只是正比于輸入信號(hào)中的特定頻率的信號(hào)分量的幅值。

主要用于檢測(cè)信噪比很低的微弱信號(hào)。即使有用的信號(hào)被淹沒在噪聲信號(hào)里面,即使噪聲信號(hào)比有用的信號(hào)大很多,只要知道有用的信號(hào)的頻率值,就能準(zhǔn)確地測(cè)量出這個(gè)信號(hào)的幅值。

輸入待測(cè)信號(hào),經(jīng)放大和帶通濾波后與參考信號(hào)共同輸入乘法器得到的結(jié)果再通過低通濾波器濾波后輸出。

集成運(yùn)算放大器主要類別下面對(duì)不同特性的集成運(yùn)算放大器進(jìn)行介紹。

通用型集成運(yùn)算放大器

通用型集成運(yùn)算放大器是指它的技術(shù)參數(shù)比較適中,可滿足大多數(shù)情況下的使用要求。通用型集成運(yùn)算放大器又分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型,其中Ⅰ型屬低增益運(yùn)算放大器,Ⅱ型屬中增益運(yùn)算放大器,Ⅲ型為高增益運(yùn)算放大器。Ⅰ型和Ⅱ型基本上是早期的產(chǎn)品,其輸入失調(diào)電壓在2mV左右,開環(huán)增益一般大于80dB。

高精度集成運(yùn)算放大器

高精度集成運(yùn)算放大器是指那些失調(diào)電壓小,溫度漂移非常小,以及增益、共模抑制比非常高的運(yùn)算放大器。這類運(yùn)算放大器的噪聲也比較小。其中單片高精度集成運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓可小到幾微伏,溫度漂移小到幾十微伏每攝氏度。

高速型集成運(yùn)算放大器

高速型集成運(yùn)算放大器的輸出電壓轉(zhuǎn)換速率很大,有的可達(dá)2~3kV/μS。

高輸入阻抗集成運(yùn)算放大器

高輸入阻抗集成運(yùn)算放大器的輸入阻抗十分大,輸入電流非常小。這類運(yùn)算放大器的輸入級(jí)往往采用mos管。

低功耗集成運(yùn)算放大器

低功耗集成運(yùn)算放大器工作時(shí)的電流非常小,電源電壓也很低,整個(gè)運(yùn)算放大器的功耗僅為幾十微瓦。這類集成運(yùn)算放大器多用于便攜式電子產(chǎn)品中。

寬頻帶集成運(yùn)算放大器

寬頻帶集成運(yùn)算放大器的頻帶很寬,其單位增益帶寬可達(dá)千兆赫以上,往往用于寬頻帶放大電路中。

高壓型集成運(yùn)算放大器

一般集成運(yùn)算放大器的供電電壓在15V以下,而高壓型集成運(yùn)算放大器的供電電壓可達(dá)數(shù)十伏。

功率型集成運(yùn)算放大器

功率型集成運(yùn)算放大器的輸出級(jí),可向負(fù)載提供比較大的功率輸出。

光纖放大器

光纖放大器不但可對(duì)光信號(hào)進(jìn)行直接放大,同時(shí)還具有實(shí)時(shí)、高增益、寬帶、在線、低噪聲、低損耗的全光放大功能,是新一代光纖通信系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵器件;由于這項(xiàng)技術(shù)不僅解決了衰減對(duì)光網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與距離的限制,更重要的是它開創(chuàng)了1550nm頻段的波分復(fù)用,從而將使超高速、超大容量、超長(zhǎng)距離的波分復(fù)用(WDM)、密集波分復(fù)用(DWDM)、全光傳輸、光孤子傳輸?shù)瘸蔀楝F(xiàn)實(shí),是光纖通信發(fā)展史上的一個(gè)劃時(shí)代的里程碑。在目前實(shí)用化的光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器(EDFA)、半導(dǎo)體光放大器(SOA)和光纖拉曼放大器(FRA)等,其中摻鉺光纖放大器以其優(yōu)越的性能現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離、大容量、高速率的光纖通信系統(tǒng)、接入網(wǎng)、光纖CATV網(wǎng)、軍用系統(tǒng)(雷達(dá)多路數(shù)據(jù)復(fù)接、數(shù)據(jù)傳輸、制導(dǎo)等)等領(lǐng)域,作為功率放大器、中繼放大器和前置放大器。

光纖放大器一般都由增益介質(zhì)、泵浦光和輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)組成。目前光纖放大器主要有摻鉺光纖放大器、半導(dǎo)體光放大器和光纖拉曼放大器三種,根據(jù)其在光纖網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用,光纖放大器主要有三種不同的用途:在發(fā)射機(jī)側(cè)用作功率放大器以提高發(fā)射機(jī)的功率;在接收機(jī)之前作光預(yù)放大器以極大地提高光接收機(jī)的靈敏度;在光纖傳輸線路中作中繼放大器以補(bǔ)償光纖傳輸損耗,延長(zhǎng)傳輸距離。

有線電視干線放大器

干線放大器技術(shù)特點(diǎn):

*.HYF-860B﹑HYF-750B﹑HYF-550B系列溫度補(bǔ)償寬帶網(wǎng)絡(luò)干線放大器采用采用高性能飛利浦CATV專用放大模塊,保證了輸出信號(hào)功率大,頻帶寬,增益高,線性好,工作穩(wěn)定。

*.前后兩級(jí)均衡調(diào)節(jié)電路,使信號(hào)電平平坦度好,有效解決電平"鼓包"現(xiàn)象,并且能使電平帶斜率輸出,適用于有線電視遠(yuǎn)距離傳輸。

*.獨(dú)有的集成電路式溫度補(bǔ)償能改善由于高低氣溫差對(duì)電纜及放大器的影響,自動(dòng)控制輸出電平的高低。

*.分支型﹑分配型輸出選擇功能適合實(shí)際線路的需要,節(jié)省開支;輸出饋電顯示功能,方便實(shí)用。

*.采用雙面金屬孔化電路板,優(yōu)質(zhì)環(huán)型變壓器電源,使放大器高頻性能優(yōu)異,工作穩(wěn)定可靠。

*.CATV專用鋁合金壓鑄噴塑外殼,防雨、散熱、屏蔽特性好。

*.220V交流供電或者60V集中饋電型任選。

技術(shù)參數(shù):

1962年美國(guó)EG&G PARC(SIGNAL RECOVERY公司的前身) 的第一臺(tái)鎖相放大器(Lock-in Amplifier,簡(jiǎn)稱LIA)的發(fā)明,使微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)得到標(biāo)志性的突破,極大地推動(dòng)了基礎(chǔ)科學(xué)和工程技術(shù)的發(fā)展。目前,微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)和儀器的不斷進(jìn)步,已經(jīng)在很多科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用,未來科學(xué)研究不僅對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)提出更高的要求,同時(shí)新的科學(xué)技術(shù)發(fā)展反過來促進(jìn)了微弱信號(hào)檢測(cè)新原理和新方法的誕生。

早期的LIA是由模擬電路實(shí)現(xiàn)的,隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了模擬與數(shù)字混合的LIA,這種LIA只是在信號(hào)輸入通道,參考信號(hào)通道和輸出通道采用了數(shù)字濾波器來抑制噪聲,或者在模擬鎖相放大器(簡(jiǎn)稱ALIA)的基礎(chǔ)上多了一些模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)和各種通用數(shù)字接口功能,可以實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)控制、監(jiān)視和顯示等輔助功能,但其核心相敏檢波器(PSD)或解調(diào)器仍是采用模擬電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的,本質(zhì)上也是ALIA。直到相敏檢波器或解調(diào)器用數(shù)字信號(hào)處理的方式實(shí)現(xiàn)后,就出現(xiàn)了數(shù)字鎖相放大器(簡(jiǎn)稱DLIA),DLIA比ALIA有許多突出的優(yōu)點(diǎn)而倍受青睞,成為現(xiàn)在微弱信號(hào)檢測(cè)研究的熱點(diǎn),但是在一些特殊的場(chǎng)合中,ALIA仍然發(fā)揮著DLIA不可替代的作用。

運(yùn)算放大器是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的一個(gè)最通用、最重要的的單元。全差分運(yùn)放是指輸入和輸出都是差分信號(hào)的運(yùn)放, 與普通的單端輸出運(yùn)放相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn): 輸出的電壓擺幅較大;較好的抑制共模噪聲;更低的噪聲;抑制諧波失真的偶數(shù)階項(xiàng)比較好等。因此通常高性能的運(yùn)放多采用全差分形式。近年來,全差分運(yùn)放更高的單位增益帶寬頻率及更大的輸出擺幅使得它在高速和低壓電路中的應(yīng)用更加廣泛。隨著日益增加的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率, 高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器需求越來越廣泛, 而高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要高增益和高單位增益帶寬運(yùn)放來滿足系統(tǒng)精度和快速建立的需要。速度和精度是模擬電路兩個(gè)最重要的性能指標(biāo),然而,這兩者的要求是互相制約、互為矛盾的。所以同時(shí)滿足這兩方面的要求是困難的。折疊共源共柵技術(shù)可以較成功地解決這一難題, 這種結(jié)構(gòu)的運(yùn)放具有較高的開環(huán)增益及很高的單位增益帶寬。全差分運(yùn)放的缺點(diǎn)是它外部反饋環(huán)的共模環(huán)路增益很小, 輸出共模電平不能精確確定,因此,一般情況下需加共模反饋電路。

運(yùn)放結(jié)構(gòu)的選擇

運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)重要有三種:(a) 簡(jiǎn)單兩級(jí)運(yùn)放,(b)折疊共源共柵,(c)共源共柵,如圖1 的前級(jí)所示。本次設(shè)計(jì)的運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求差分輸出幅度為±4V, 即輸出端的所有NMOS 管的VDSAT,N 之和小于0.5V,輸出端的所有PMOS 管的VDSAT,P 之和也必須小于0.5V。

主運(yùn)放結(jié)構(gòu)

該運(yùn)算放大器存在兩級(jí):(1)Cascode 級(jí)增大直流增益(M1-M8);(2)、共源放大器(M9-M12)。

共模負(fù)反饋

對(duì)于全差分運(yùn)放, 為了穩(wěn)定輸出共模電壓,應(yīng)加入共模負(fù)反饋電路。在設(shè)計(jì)輸出平衡的全差分運(yùn)算放大器的時(shí)候,必須考慮到以下幾點(diǎn):共模負(fù)反饋的開環(huán)直流增益要求足夠大,最好能夠于差分開環(huán)直流增益相當(dāng);共模負(fù)反饋的單位增益帶寬也要求足夠大,最好接近差分單位增益帶寬;為了確保共模負(fù)反饋的穩(wěn)定, 一般情況下要求進(jìn)行共模回路補(bǔ)償;共模信號(hào)監(jiān)測(cè)器要求具有很好的線性特性;共模負(fù)反饋與差模信號(hào)無關(guān), 即使差模信號(hào)通路是關(guān)斷的。

該運(yùn)算放大采用連續(xù)時(shí)間方式來實(shí)現(xiàn)共模負(fù)反饋功能。

該結(jié)構(gòu)共用了共模放大器和差模放大器的輸入級(jí)中電流鏡及輸出負(fù)載。這樣,一方面降低了功耗; 另一方面保證共模放大器與差模放大器在交流特性上保持一致。因?yàn)楣材７糯笃鞯妮敵黾?jí)與差模放大器的輸出級(jí)可以完全共用,電容補(bǔ)償電路也一樣。只要差模放大器頻率特性是穩(wěn)定的,則共模負(fù)反饋也是穩(wěn)定的。這種共模負(fù)反饋電路使得全差分運(yùn)算放大器可以像單端輸出的運(yùn)算放大器一樣設(shè)計(jì), 而不用考慮共模負(fù)反饋電路對(duì)全差分放大器的影響。

電壓偏置電路:寬擺幅電流

在共源共柵輸入級(jí)中需要三個(gè)電壓偏置,為了使得輸入級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍大一些,寬擺幅電流源來產(chǎn)生所需要的三個(gè)偏置電壓。