放大器

放大器是能把輸入訊號的電壓或功率放大的裝置，由電子管或電晶體、電源變壓器和其他電器元件組成。用在通訊、廣播、雷達、電視、自動控制等各種裝置中。

基本介紹

• 中文名：放大器
• 外文名：Amplifier
• 科目類別：電子電路
• 用途：電壓、功率放大

簡介

增加信號幅度或功率的裝置，它是自動化技術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的，放大所需功耗由能源提供。對於線性放大器，輸出就是輸入信號的復現和增強。對於非線性放大器，輸出則與輸入信號成一定函式關係。放大器按所處理信號物理量分為機械放大器、機電放大器、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（見射流元件）的推廣，液動或氣動放大器的套用也逐漸增多。電子放大器又按所用有源器件分為真空管放大器、電晶體放大器、固體放大器和磁放大器，其中又以電晶體放大器套用最廣。在自動化儀表中電晶體放大器常用於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，還常用於阻抗匹配、隔離、電流-電壓轉換、電荷-電壓轉換（如電荷放大器）以及利用放大器實現輸出與輸入之間的一定函式關係（如運算放大器）。

放大器

作用

原理：高頻功率放大器用於發射機的末級，作用是將高頻已調波信號進行功率放大，以滿足傳送功率的要求，然後經過天線將其輻射到空間，保證在一定區域內的接收機可以接收到滿意的信號電平，並且不干擾相鄰信道的通信。

高頻功率放大器是通信系統中傳送裝置的重要組件。按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬頻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迴路，故又稱為調諧功率放大器或諧振功率放大器；寬頻高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬頻匹配電路，因此又稱為非調諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉換器件，它將電源供給的直流能量轉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通角的不同，將其分為甲、乙、丙三類工作狀態。甲類放大器電流的流通角為360o，適用於小信號低功率放大。乙類放大器電流的流通角約等於 180o；丙類放大器電流的流通角則小於180o。乙類和丙類都適用於大功率工作丙類工作狀態的輸出功率和效率是三種工作狀態中最高者。高頻功率放大器大多工作於丙類。但丙類放大器的電流波形失真太大，因而不能用於低頻功率放大，只能用於採用調諧迴路作為負載的諧振功率放大。由於調諧迴路具有濾波能力，迴路電流與電壓仍然極近於正弦波形，失真很小。

運算放大器設計

運算放大器是模數轉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階項比較好等。因此通常高性能的運放多採用全差分形式。近年來,全差分運放更高的單位增益頻寬頻率及更大的輸出擺幅使得它在高速和低壓電路中的套用更加廣泛。隨著日益增加的數據轉換率, 高速的模數轉換器需求越來越廣泛, 而高速模數轉換器需要高增益和高單位增益頻寬運放來滿足系統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,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。摺疊共源共柵技術可以較成功地解決這一難題, 這種結構的運放具有較高的開環增益及很高的單位增益頻寬。全差分運放的缺點是它外部反饋環的共模環路增益很小, 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。

運放結構的選擇

運算放大器的結構重要有三種:(a) 簡單兩級運放,(b)摺疊共源共柵,(c)共源共柵,如圖1 的前級所示。本次設計的運算放大器的設計指標要求差分輸出幅度為±4V, 即輸出端的所有NMOS 管的VDSAT,N 之和小於0.5V,輸出端的所有PMOS 管的VDSAT,P 之和也必須小於0.5V。

主運放結構

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)。

共模負反饋

對於全差分運放, 為了穩定輸出共模電壓,應加入共模負反饋電路。在設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:共模負反饋的開環直流增益要求足夠大,最好能夠於差分開環直流增益相當;共模負反饋的單位增益頻寬也要求足夠大,最好接近差分單位增益頻寬;為了確保共模負反饋的穩定, 一般情況下要求進行共模迴路補償;共模信號監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, 即使差模信號通路是關斷的。

該運算放大採用連續時間方式來實現共模負反饋功能。

該結構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定的,則共模負反饋也是穩定的。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計, 而不用考慮共模負反饋電路對全差分放大器的影響。

電壓偏置電路:寬擺幅電流

在共源共柵輸入級中需要三個電壓偏置,為了使得輸入級的動態範圍大一些,寬擺幅電流源來產生所需要的三個偏置電壓。

分類

集成運算放大器主要類別下面對不同特性的集成運算放大器進行介紹。

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參數比較適中，可滿足大多數情況下的使用要求。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品，其輸入失調電壓在2mV左右，開環增益一般大於80dB。

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。

高速型集成運算放大器

高速型集成運算放大器的輸出電壓轉換速率很大，有的可達2~3kV/μS。

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採用MOS管。

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於攜帶型電子產品中。

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，其單位增益頻寬可達千兆赫以上，往往用於寬頻帶放大電路中。

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十伏。

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。

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、寬頻、線上、低噪聲、低損耗的全光放大功能，是新一代光纖通信系統中必不可少的關鍵器件；由於這項技術不僅解決了衰減對光網路傳輸速率與距離的限制，更重要的是它開創了1550nm頻段的波分復用，從而將使超高速、超大容量、超長距離的波分復用（WDM）、密集波分復用（DWDM）、全光傳輸、光孤子傳輸等成為現實，是光纖通信發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越的性能現已廣泛套用於長距離、大容量、高速率的光纖通信系統、接入網、光纖CATV網、軍用系統（雷達多路數據復接、數據傳輸、制導等）等領域，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、泵浦光和輸入輸出耦合結構組成。目前光纖放大器主要有摻鉺光纖放大器、半導體光放大器和光纖拉曼放大器三種，根據其在光纖網路中的套用，光纖放大器主要有三種不同的用途：在發射機側用作功率放大器以提高發射機的功率；在接收機之前作光預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。

有線電視幹線放大器

幹線放大器技術特點：

*．HYF-860B﹑HYF-750B﹑HYF-550B系列溫度補償寬頻網路幹線放大器採用採用高性能飛利浦CATV專用放大模組，保證了輸出信號功率大,頻頻寬,增益高,線性好,工作穩定。

*．前後兩級均衡調節電路，使信號電平平坦度好，有效解決電平“鼓包”現象，並且能使電平帶斜率輸出，適用於有線電視遠距離傳輸。

*．獨有的積體電路式溫度補償能改善由於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，節省開支；輸出饋電顯示功能，方便實用。

*．採用雙面金屬孔化電路板，優質環型變壓器電源，使放大器高頻性能優異，工作穩定可靠。

*．CATV專用鋁合金壓鑄噴塑外殼，防雨、散熱、禁止特性好。

*．220V交流供電或者60V集中饋電型任選。

技術參數：

項目	單位	性能參數
頻率範圍Frequency Range	MHz	45-550MHZ	45-750MHZ	45-860MHZ
標稱增益Rated Gain	dB	30
帶內平坦度Flatness In Band	dB	±0.5 ±0.75
標稱輸入電平Rated Input Level	dBμV	72
標稱輸出電平Rated Output Level	dBμV	102
增益調節範圍Gain Adjustable Range	dB	0～20
斜率調節範圍Slope Adjustable Range	dB	0～27（後均衡9dB）
噪聲係數Noise Figure	dB	≤10
載波組合三次差拍比（84個PAL-D） Composite Triplee Beat (84PAL-D	dB	71
載波組合二次差拍比（84個PAL-D） Composite Second Order (84PAL-D	dB	68
溫度補償範圍Temperatre Compensate Range	dB	±1.5
反射損耗Noise Figure	dB	≥14
抗雷擊能力Thunder Stroke Immunity	KV	5 (10/700μS)
電源電壓Power Voltage (50Hz)	V	A:～220V±15% B:～(30-60)V
功耗Power Consumption	VA	15
外型尺寸Dimension	mm

有線電視幹線放大器

歷史發展

1962年美國EG&G PARC(SIGNAL RECOVERY公司的前身) 的第一台鎖相放大器(Lock-in Amplifier，簡稱LIA)的發明，使微弱信號檢測技術得到標誌性的突破，極大地推動了基礎科學和工程技術的發展。目前，微弱信號檢測技術和儀器的不斷進步，已經在很多科學和技術領域中得到廣泛的套用，未來科學研究不僅對微弱信號檢測技術提出更高的要求，同時新的科學技術發展反過來促進了微弱信號檢測新原理和新方法的誕生。

早期的LIA是由模擬電路實現的，隨著數位技術的發展，出現了模擬與數字混合的LIA，這種LIA只是在信號輸入通道，參考信號通道和輸出通道採用了數字濾波器來抑制噪聲，或者在模擬鎖相放大器（簡稱ALIA）的基礎上多了一些模數轉換（ADC）、數模轉換（DAC）和各種通用數字接口功能，可以實現由計算機控制、監視和顯示等輔助功能，但其核心相敏檢波器(PSD)或解調器仍是採用模擬電子技術實現的，本質上也是ALIA。直到相敏檢波器或解調器用數位訊號處理的方式實現後，就出現了數字鎖相放大器（簡稱DLIA），DLIA比ALIA有許多突出的優點而倍受青睞，成為現在微弱信號檢測研究的熱點，但是在一些特殊的場合中，ALIA仍然發揮著DLIA不可替代的作用。

基本結構

輸入待測信號，經放大和帶通濾波後與參考信號共同輸入乘法器得到的結果再通過低通濾波器濾波後輸出。

原理

鎖相放大器實際上是一個模擬的傅立葉變換器，鎖相放大器的輸出是一個直流電壓，正比於是輸入信號中某一特定頻率（參數輸入頻率）的信號幅值。而輸入信號中的其他頻率成分將不能對輸出電壓構成任何貢獻。

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

如果是一個1Hz和一個1.1Hz的信號相乘，用乘法器相乘得到的結果是輪廓為正弦的調製信號，直流偏量為0。

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

用途

主要用於檢測信噪比很低的微弱信號。即使有用的信號被淹沒在噪聲信號裡面，即使噪聲信號比有用的信號大很多，只要知道有用的信號的頻率值，就能準確地測量出這個信號的幅值。