主放大器

運算放大器是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的一個最通用、最重要的的單元。全差分運放是指輸入和輸出都是差分信號的運放, 與普通的單端輸出運放相比有以下幾個優(yōu)點: 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)階項比較好等。因此通常高性能的運放多采用全差分形式。近年來,全差分運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。全差分運放的缺點是它外部反饋環(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[1]。

運放結(jié)構(gòu)的選擇

運算放大器的結(jié)構(gòu)重要有三種:(a) 簡單兩級運放,(b)折疊共源共柵,(c)共源共柵。本次設(shè)計的運算放大器的設(shè)計指標(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[1]。

主運放結(jié)構(gòu)

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

共模負反饋

對于全差分運放, 為了穩(wěn)定輸出共模電壓,應(yīng)加入共模負反饋電路。在設(shè)計輸出平衡的全差分運算放大器的時候,必須考慮到以下幾點:共模負反饋的開環(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;為了確保共模負反饋的穩(wěn)定, 一般情況下要求進行共?；芈费a償;共模信號監(jiān)測器要求具有很好的線性特性;共模負反饋與差模信號無關(guān), 即使差模信號通路是關(guān)斷的[1]。

該運算放大采用連續(xù)時間方式來實現(xiàn)共模負反饋功能。

該結(jié)構(gòu)共用了共模放大器和差模放大器的輸入級中電流鏡及輸出負載。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。因為共模放大器的輸出級與差模放大器的輸出級可以完全共用,電容補償電路也一樣。只要差模放大器頻率特性是穩(wěn)定的,則共模負反饋也是穩(wěn)定的。這種共模負反饋電路使得全差分運算放大器可以像單端輸出的運算放大器一樣設(shè)計, 而不用考慮共模負反饋電路對全差分放大器的影響[1]。

電壓偏置電路:寬擺幅電流

在共源共柵輸入級中需要三個電壓偏置,為了使得輸入級的動態(tài)范圍大一些,寬擺幅電流源來產(chǎn)生所需要的三個偏置電壓[1]。

增加信號幅度或功率的裝置，它是自動化技術(shù)工具中處理信號的重要元件。放大器的放大作用是用輸入信號控制能源來實現(xiàn)的，放大所需功耗由能源提供。對于線性放大器，輸出就是輸入信號的復(fù)現(xiàn)和增強。對于非線性放大器，輸出則與輸入信號成一定函數(shù)關(guān)系。放大器按所處理信號物理量分為機械放大器、機電

放大器

放大器、電子放大器、液動放大器和氣動放大器等，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，液動或氣動放大器的應(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。在自動化儀表中晶體管放大器常用于信號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）以及利用放大器實現(xiàn)輸出與輸入之間的一定函數(shù)關(guān)系（如運算放大器）。

原理：高頻功率放大器用于發(fā)射機的末級，作用是將高頻已調(diào)波信號進行功率放大，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)的接收機可以接收到滿意的信號電平，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。

主放大器main am仙tier在核輻射探測器，護介于前置放大器和多道分析器之間的單元.主要作用是將又自前置放大器的信號轉(zhuǎn)換成最適合記錄的脈沖形狀，其次是將信號放大。主要指標(biāo)是:(L)積分線性和微分線性好;}})增益的溫度fir.數(shù)要小，穩(wěn)定性要高;}})噪聲要低;(4)抗過載性能好;(5)對間響應(yīng)性能要好。

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放大器電路，或稱放大電路，能增加信號的輸出功率。它透過電源取得能量來源，以控制輸出信號的波形與輸入信號一致，但具有較大的振幅。依此來講，放大器電路亦可視為可調(diào)節(jié)的輸出電源，用來獲得比輸入信號更強的輸出信號。

放大器的四種基本類型是電壓放大器、電流放大器、互導(dǎo)放大器和互阻放大器。進一步的區(qū)別在于輸出是否是輸入的線性或非線性表示。放大器也可以通過在信號鏈中的物理位置來分類。

集成運算放大器主要類別

放大器

下面對不同特性的集成運算放大器進行介紹。

主放大器通用型集成運算放大器

通用型集成運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。通用型集成運算放大器又分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，其中Ⅰ型屬低增益運算放大器，Ⅱ型屬中增益運算放大器，Ⅲ型為高增益運算放大器。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。

主放大器高精度集成運算放大器

高精度集成運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算放大器。這類運算放大器的噪聲也比較小。其中單片高精度集成運算放大器的失調(diào)電壓可小到幾微伏，溫度漂移小到幾十微伏每攝氏度。

主放大器高速型集成運算放大器

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

主放大器高輸入阻抗集成運算放大器

高輸入阻抗集成運算放大器的輸入阻抗十分大，輸入電流非常小。這類運算放大器的輸入級往往采用MOS管。

主放大器低功耗集成運算放大器

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

主放大器寬頻帶集成運算放大器

寬頻帶集成運算放大器的頻帶很寬，其單位增益帶寬可達千兆赫以上，往往用于寬頻帶放大電路中。

主放大器高壓型集成運算放大器

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

主放大器功率型集成運算放大器

功率型集成運算放大器的輸出級，可向負載提供比較大的功率輸出。

主放大器光纖放大器

光纖放大器不但可對光信號進行直接放大，同時還具有實時、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；由于這項技術(shù)不僅解決了衰減對光網(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，是光纖通信發(fā)展史上的一個劃時代的里程碑。在目前實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)射機側(cè)用作功率放大器以提高發(fā)射機的功率；在接收機之前作光預(yù)放大器以極大地提高光接收機的靈敏度；在光纖傳輸線路中作中繼放大器以補償光纖傳輸損耗，延長傳輸距離 。

主放大器有線電視干線放大器

干線放大器技術(shù)特點：

*．HYF-860B﹑HYF-750B﹑HYF-550B系列溫度補償寬帶網(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，保證了輸出信號功率大,頻帶寬,增益高,線性好,工作穩(wěn)定。

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

*．獨有的集成電路式溫度補償能改善由于高低氣溫差對電纜及放大器的影響，自動控制輸出電平的高低。

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

*．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。

自穩(wěn)零型放大器，如AD8538、AD8638、AD8551和AD8571系列，通常分兩個時鐘階段校正輸入失調(diào)。在時鐘階段A中，開關(guān)φA閉合，開關(guān)φB斷開，如圖1所示。指零放大器的失調(diào)電壓經(jīng)過測量后，儲存在電容CM1上。

在時鐘階段B中，開關(guān)φB閉合，開關(guān)φA斷開，如圖1所示。主放大器的失調(diào)電壓經(jīng)過測量后，儲存在電容CM2上，同時，儲存在電容CM1中的電壓調(diào)節(jié)指零放大器的失調(diào)。進而，在處理輸入信號時將總失調(diào)電壓施加到主放大器上

采樣保持功能會將自穩(wěn)零型放大器變?yōu)椴蓸訑?shù)據(jù)系統(tǒng)，使其容易發(fā)生混疊和折回效應(yīng)。低頻時，噪聲變化緩慢，因此兩個連續(xù)噪聲采樣相減可實現(xiàn)真正的抵消。高頻時，這種相關(guān)性減弱，相減誤差導(dǎo)致寬帶成分折回基帶。因此，自穩(wěn)零型放大器的帶內(nèi)噪聲高于標(biāo)準運算放大器。為了減少低頻噪聲，必須提高采樣頻率，但這會引入額外的電荷注入。信號路徑僅包括主放大器，因而可以獲得相對較大的單位增益帶寬。

斬波放大器的工作原理

圖2顯示斬波型放大器ADA4051的功能框圖，它采用本地自動校正反饋(ACFB)環(huán)路。主信號路徑包括輸入斬波網(wǎng)絡(luò)CHOP1、跨導(dǎo)放大器Gm1、輸出斬波網(wǎng)絡(luò)CHOP2和跨導(dǎo)放大器Gm2。CHOP1和CHOP2將來自Gm 1初始失調(diào)和1/f噪聲調(diào)制到斬波頻率?？鐚?dǎo)放大器Gm3檢測CHOP2輸出端的調(diào)制紋波，斬波網(wǎng)絡(luò)CHOP3將該紋波解調(diào)回DC。所有三個斬波網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)頻率均為40 kHz。最后，跨導(dǎo)放大器Gm4消除Gm1輸出端的直流成分，否則，它會作為紋波出現(xiàn)在總輸出中。開關(guān)電容陷波濾波器(SCNF)有選擇地抑制不需要的失調(diào)相關(guān)紋波，但不會干擾總輸出中的有用輸入信號，它與斬波時鐘同步，以便完全地濾除調(diào)制分量。

對植入式系統(tǒng)芯片設(shè)計中若干關(guān)鍵技術(shù)開展了研究，主要圍繞適用于微弱信號檢測的高輸入阻抗前端儀表放大器、高分辨率低功耗超微面積模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及高效能供能單元的設(shè)計技術(shù)展開。在高精度建?；A(chǔ)上，開展了放大器低功耗低噪聲高輸入阻抗設(shè)計技術(shù)和主放大器電路設(shè)計技術(shù)研究。其中，分別采用加入新穎的高電容利用率的低通濾波結(jié)構(gòu)，結(jié)合斬波技術(shù)在大幅減小面積消耗的同時有效抑制了高頻紋波，以及運用自調(diào)零技術(shù)來降低放大器的失調(diào)電壓、閃爍噪聲，抑制斬波調(diào)制后對應(yīng)的高頻紋波；通過正反饋技術(shù)大幅提升輸入阻抗，并引入DC Cancellation Loop抵消被斬波器調(diào)制后的電極直流失調(diào)電壓；應(yīng)用交叉耦合MOS管降低了功耗，并通過帶通結(jié)構(gòu)有效濾除低頻和高頻的噪聲。在模數(shù)轉(zhuǎn)換器研究中提出一種改進的Pseudo DWA技術(shù)，采用動態(tài)器件匹配解決多比特量化調(diào)制器中反饋DAC電容失配引起的帶內(nèi)非線性失真，易于實現(xiàn)，確保了較高的轉(zhuǎn)換精度；提出半周期延遲積分器結(jié)構(gòu)，使內(nèi)部OTA只需工作半個周期，節(jié)省近半功耗。并與運放共享技術(shù)結(jié)合，使相鄰積分器內(nèi)部的運放在同一個時鐘周期的不同相位工作，降低了系統(tǒng)工作頻率和動態(tài)功耗；在調(diào)制器內(nèi)的放大器設(shè)計中，采用Class-AB電流鏡型OTA結(jié)合電流消耗技術(shù)來提高運放的DC增益；發(fā)展了一種新穎的CMFB電路改善線性，提高反饋速率，減少電荷泄漏帶來的誤差；發(fā)展了一種全開關(guān)型Class-AB 電流鏡開關(guān)運放，在半周期內(nèi)切斷電源以節(jié)省50%的整體功耗；采用Cross-Coupling結(jié)構(gòu)增加運放增益，縮短運放恢復(fù)時間，通過改進電路減小瞬態(tài)功耗，使總功耗再降低近1/4。此外，完成了寄生效應(yīng)不敏感、面積和功耗優(yōu)化的極小增益系數(shù)諧振器設(shè)計，減小了諧振器功耗，并對低功耗量化器進行了面積優(yōu)化，在高性能調(diào)制器領(lǐng)域獲得若干具有國際先進水平的成果。同時，開展抽樣濾波器的功耗面積優(yōu)化研究，提出一種可省去前置放大器的動態(tài)比較器，采用多種措施如用高密度的MOSCAP電容替代傳統(tǒng)的MIM金屬電容來節(jié)省面積，優(yōu)化了模數(shù)轉(zhuǎn)換器整體性能。針對植入式系統(tǒng)的能量供給特點，提出一種以非接觸式充電平臺為能量傳輸方式，超級電容為儲能單元，由新型電荷泵變換器為系統(tǒng)供電的新穎集成能量供給系統(tǒng)，并對其中關(guān)鍵模塊的設(shè)計展開了研究。此外，開展了混合動力源等新型能量系統(tǒng)和模塊的研究，完成了用于植入式系統(tǒng)的能量采集系統(tǒng)的超低電壓啟動單元的研制。 2100433B