共漏放大器

共漏极放大电路又称为源极输出器或源极跟随器,它和三极管组成的共集电极放大电路具有类似的特点,如输入电阻高,输出电阻小,电压放大倍数略小于1,一般用于多级放大电路的输入级或输出级。

共漏放大器基本信息

中文名 共漏放大器 别    名 源极跟随器
应    用 高频信号放大、功率放大等

共 漏极放大电路如图1所示。由图1可见,共漏极放大电路的直流偏置电路与共源极放大电路完全相同,静态工作点的分析方法也和共源极放大电路相同。

1)电压放大倍数

由图1可得:

2) 输入电阻

3) 输出电阻

根据求放大器输出电阻的定义,令

,保留信号源内阻,于是可画出求共源极放大器输出电阻的等效电路图,如图2所示,根据KCL有:

所以

可见,共漏极放大电路具有与BJT共集电极放大电路相同的特点,如

,输出电阻小等。

高频小信号等效电路如图3所示:

高频响应如图4所示:

虽然Cgs会产生密勒效应,但是应为电路的増益小于等于1,所以其密勒电容都很小,上限频率远高于同等工作条件下共源和共射放大电路。

共漏放大电路的特点:

1)电压放大倍数小于且接近1。

2)输出电压的相位与输入电压的相位相同,输出电压的波形和输入电压的波形一样,故又名源极跟随器

3)共漏组态放大电路的输入电阻高,输出电阻低,具有阻抗变换的特点,有较强的带负载能力,常用于多级放大电路的输入级和输出级。

共漏放大器造价信息

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材料名称 规格/型号 市场价
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共漏极放大电路一般用于设计功率放大器,振荡器,高频信号放大等。

共漏放大器常见问题

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共漏放大器文献

电荷放大器-放大器 电荷放大器-放大器

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五、电荷放大器 电荷放大器主要由一个高增益反向电压放大器和电容负反馈组成。输入端的 MOSFET 或 J-FET 提供高绝缘性能,确保极低的电流泄露。 电荷放大器将压电传感器产生的电荷转换为成比例的电压, 用来作为监测和控制过程的 输入量。电荷放大器主要由一个具有高开环增益和电容负反馈的 MOSFET( 半导体场效应晶 体管 )或 JFET(面结型场效应晶体管 )的反向电压放大器组成, 因此它的输入产生高绝缘阻抗, 会引起少量电流泄漏。忽略 Rt 和 Ri,输出端电压为: )( 1 1 1 crt r r o CCC AC C Q U 对于足够高的开环增益,系数 1/AC 接近于零。因此可以忽略电缆和传感器的电容,输 出电压仅由输入端电压和量程电容决定。 r o C QU 电荷放大器可看成是电荷积分器, 它总是在量程电容两端以大小相等, 极向相反的电荷 补偿传感器产生的电荷。 量程电容两端

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六、电荷放大器与电压放大器 六、电荷放大器与电压放大器

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实验六 电荷放大器与电压放大器 加速度一般通过压电加速度传感器进行测量。 电荷放大器能将传感器输出的 微弱电荷信号变换成放大了的电压信号, 同时又能将传感器的高阻抗输出变换成 低阻抗输出。压电加速度传感器的输出需经电荷放大器进行变换 (即电荷—电压 转换),方可用于后续的放大、处理,因此电荷放大器是加速度测量中必不可少 的。下图为电荷放大器的仿真原理图。 下图为电荷放大器仿真的波形图。 用运放构成同相放大器可以实现电压放大。下图为电压放大器仿真的原理 图。 下图为电压放大器的波形图。

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光纤通信网络、自由空间激光通信、激光雷达、医疗、科研、军工等领域,对高功率 1.5μm 波段光纤放大器和激光器的需求不断增加。传统掺铒光纤放大器(EDFA),虽然工作在这个波段,但受到纤芯直径小和掺杂离子浓度低的限制,单个 EDFA 的输出功率较低。Er/Yb 共掺技术和双包层泵浦技术的出现,为高功率输出提供了可能。 Er/Yb 共掺双包层光纤也已经出现,并得到了广泛研究。可以说,这种光纤出现的推动力,就是对更高功率的需求。很有必要对这种光纤放大器所能达到的功率水平、连续光和脉冲光放大时的典型特点:斜率效率、噪声指数、增益曲线、ASE 功率分布、功率转化效率等进行分析,考察其功率进一步提升的限制因素,为更好地进行以其为基础的高功率光纤放大器的设计提供理论基础。

Er/Yb 共掺双包层光纤,由纤芯、内包层、外包层构成,其折射率从内到外是依次减小的。纤芯直径与单模光纤直径相吻合,信号光在纤芯中传输,保证其单模传输。掺杂离子在纤芯中,通常 Yb 离子的掺杂浓度要高于 Er 离子,形成一个 Er 离子周围被若干个 Yb 离子所包围的局面,从而阻断了在 Er 离子浓度提高时,Er 离子互相过于靠近而形成离子对的情况,允许 Er 离子掺杂浓度可以远远大于普通 EDFA 的掺杂浓度,这就意味着光纤储能的增大和输出功率的增大。内包层直径通常在 100μm-200μm 之间,为20泵浦光传输波导层,这是双包层光纤区别于普通光纤的典型特点:泵浦光进入横截面积是纤芯几十到几百倍的内包层中,允许采用大功率,多模泵浦光,且增加了泵浦光耦合效率、降低了耦合损耗和耦合难度。泵浦光进入内包层后,在外包层和内包层的边界处产生全内反射,可以往返不断地经过纤芯,激活纤芯掺杂离子,形成粒子数反转,对纤芯中经过的信号光产生受激放大。理论和实际都证明,内包层形状如果仍采用传统光纤中的圆形,会产生很多围绕着光纤轴向传输的弧形光,导致大量泵浦光无法经过纤芯而浪费掉,当今的双包层光纤,内包层通常做成 D 形或者六边形,可以保证泵浦光充分通过纤芯,有利于纤芯掺杂离子对其进行有效地吸收利用。

铒镱共掺光纤放大器Er/Yb共掺能级结构与能量转化关系

Er/Yb 共掺系统中的能级结构包括了 Er 离子和 Yb 离子两个能级系统,Yb 离子为简单的二能级结构,在 Er/Yb 共掺系统中,因为一个 Er 离子周围被若干个 Yb 离子所包围,所以 Er 离子直接吸收泵浦光被激活的几率很小,主要吸收泵浦光能量的是 Yb 离子,且 Yb 离子作为主要能量吸收离子,吸收谱线非常宽(800nm-1100nm),在主要的几个泵浦激光器工作波长:915nm 和980nm 处都有很高的吸收峰,这使得对泵浦激光器的谱宽要求大大降低,可以采用已经商用的、成本较低的多模大功率泵浦激光器模块,满足高功率信号光输出要求。Yb 离子在泵浦光作用下产生受激吸收,而跃迁到上能级2F5/2,Yb 离子在这个能级的寿命为 1.5ms,接下来通过敏化作用,处于上能级的 Yb 离子将能量传递给基态(4I15/2)Er 离子,使其产生受激吸收而跃迁至高能态4I11/2,Er 离子在这个能级的寿命非常短,仅为 1ns,所以迅速通过无辐射跃迁到亚稳态4I13/2,Er离子在亚稳态的寿命很长,为 10ms,可以形成足够的粒子数反转,当信号光通过时,即可产生受激辐射光放大。Er 离子4I 13/2能级上存在着能量上转换过程,21 部分激活离子跃迁到4I9/2能级,再经过两次无辐射跃迁过程回到亚稳态。Yb 离子将能量传递给 Er 离子的同时,失去能量回落到基态。这里要注意两点,一是因为 Yb 离子首先被激活,在其两能级间也会存在一定的粒子数反转形成 Yb 波段(1.06μm)的自发辐射光,后文可以看到,在高功率泵浦时,这个波段的自发辐射光会对放大器的输出功率产生比较严重的限制。另一点,因为 Er离子在亚稳态寿命较长,存在着能量向 Yb 离子的反向回传,这个机制也会造成储能的一部分浪费,所以在考虑放大器设计时,应该合理的选择输入信号光能量,以便尽可能多的消耗 Er 离子的上能级粒子数,减小能量回传。

光纤通信网络、自由空间激光通信、激光雷达、医疗、科研、军工等领域,对高功率 1.5μm 波段光纤放大器和激光器的需求不断增加。传统掺铒光纤放大器(EDFA),虽然工作在这个波段,但受到纤芯直径小和掺杂离子浓度低的限制,单个 EDFA 的输出功率较低。Er/Yb 共掺技术和双包层泵浦技术的出现,为高功率输出提供了可能。 Er/Yb 共掺双包层光纤也已经出现,并得到了广泛研究。可以说,这种光纤出现的推动力,就是对更高功率的需求。很有必要对这种光纤放大器所能达到的功率水平、连续光和脉冲光放大时的典型特点:斜率效率、噪声指数、增益曲线、ASE 功率分布、功率转化效率等进行分析,考察其功率进一步提升的限制因素,为更好地进行以其为基础的高功率光纤放大器的设计提供理论基础。

Er/Yb 共掺双包层光纤,由纤芯、内包层、外包层构成,其折射率从内到外是依次减小的。纤芯直径与单模光纤直径相吻合,信号光在纤芯中传输,保证其单模传输。掺杂离子在纤芯中,通常 Yb 离子的掺杂浓度要高于 Er 离子,形成一个 Er 离子周围被若干个 Yb 离子所包围的局面,从而阻断了在 Er 离子浓度提高时,Er 离子互相过于靠近而形成离子对的情况,允许 Er 离子掺杂浓度可以远远大于普通 EDFA 的掺杂浓度,这就意味着光纤储能的增大和输出功率的增大。内包层直径通常在 100μm-200μm 之间,为20泵浦光传输波导层,这是双包层光纤区别于普通光纤的典型特点:泵浦光进入横截面积是纤芯几十到几百倍的内包层中,允许采用大功率,多模泵浦光,且增加了泵浦光耦合效率、降低了耦合损耗和耦合难度。泵浦光进入内包层后,在外包层和内包层的边界处产生全内反射,可以往返不断地经过纤芯,激活纤芯掺杂离子,形成粒子数反转,对纤芯中经过的信号光产生受激放大。理论和实际都证明,内包层形状如果仍采用传统光纤中的圆形,会产生很多围绕着光纤轴向传输的弧形光,导致大量泵浦光无法经过纤芯而浪费掉,当今的双包层光纤,内包层通常做成 D 形或者六边形,可以保证泵浦光充分通过纤芯,有利于纤芯掺杂离子对其进行有效地吸收利用。

Er/Yb共掺能级结构与能量转化关系

Er/Yb 共掺系统中的能级结构包括了 Er 离子和 Yb 离子两个能级系统,Yb 离子为简单的二能级结构,在 Er/Yb 共掺系统中,因为一个 Er 离子周围被若干个 Yb 离子所包围,所以 Er 离子直接吸收泵浦光被激活的几率很小,主要吸收泵浦光能量的是 Yb 离子,且 Yb 离子作为主要能量吸收离子,吸收谱线非常宽(800nm-1100nm),在主要的几个泵浦激光器工作波长:915nm 和980nm 处都有很高的吸收峰,这使得对泵浦激光器的谱宽要求大大降低,可以采用已经商用的、成本较低的多模大功率泵浦激光器模块,满足高功率信号光输出要求。Yb 离子在泵浦光作用下产生受激吸收,而跃迁到上能级2F5/2,Yb 离子在这个能级的寿命为 1.5ms,接下来通过敏化作用,处于上能级的 Yb 离子将能量传递给基态(4I15/2)Er 离子,使其产生受激吸收而跃迁至高能态4I11/2,Er 离子在这个能级的寿命非常短,仅为 1ns,所以迅速通过无辐射跃迁到亚稳态4I13/2,Er离子在亚稳态的寿命很长,为 10ms,可以形成足够的粒子数反转,当信号光通过时,即可产生受激辐射光放大。Er 离子4I 13/2能级上存在着能量上转换过程,21 部分激活离子跃迁到4I9/2能级,再经过两次无辐射跃迁过程回到亚稳态。Yb 离子将能量传递给 Er 离子的同时,失去能量回落到基态。这里要注意两点,一是因为 Yb 离子首先被激活,在其两能级间也会存在一定的粒子数反转形成 Yb 波段(1.06μm)的自发辐射光,后文可以看到,在高功率泵浦时,这个波段的自发辐射光会对放大器的输出功率产生比较严重的限制。另一点,因为 Er离子在亚稳态寿命较长,存在着能量向 Yb 离子的反向回传,这个机制也会造成储能的一部分浪费,所以在考虑放大器设计时,应该合理的选择输入信号光能量,以便尽可能多的消耗 Er 离子的上能级粒子数,减小能量回传。

输入与输出电压范围

关于实际运算放大器的容许输入和输出电压范围,有一些实际的基本问题需要考虑。显然,这不仅会根据具体器件而变化,还会根据电源电压而变化。我们可以通过器件选型来优化该性能点,首先要考虑较为基础的问题。

任何实际运算放大器输入和输出端的工作电压范围都是有限的。现代系统设计中,电源电压在不断下降,对运算放大器之类的模拟电路而言,3 V至5 V的总电源电压现在已十分常见。这一数值和过去的电源系统电压相差甚远,当时通常为±15 V(共30 V)。

由于电压降低,必须了解输入和输出电压范围的限制——尤其是在运算放大器选择过程中。

输出共模电压范围

下图1大致显示了运算放大器输入和输出动态范围的限制,与两个供电轨有关。任何运算放大器都由两个电源电位供电,用正供电轨+VS和负供电轨–VS表示。运算放大器的输入和输出共模范围根据与两个供电轨电压限值的接近程度来定义。

图1:运算放大器输入和输出共模范围

在输出端,VOUT有两个供电轨相关限制,即高电平(接近+VS)和低电平(接近–VS)。高电平时,范围可达饱和上限VS–VSAT(HI)(最大正值)。例如,如果+VS为5 V,VSAT(HI)为100 mV,则VOUT上限(最大正值)为4.9 V。同样,低电平时,范围可达饱和下限–VS + VSAT(LO)。因此,如果–VS为接地(0 V),VSAT(LO)为50 mV,则VOUT下限为50 mV。

显然,给定运算放大器的内部设计会影响该输出共模动态范围,必要时,器件本身的设计应当最大程度地减小VSAT(HI)和VSAT(LO),以便实现最大输出动态范围。某些类型的运算放大器就采用了这样的设计,这些放大器通常采用单电源系统专用的设计。

输入共模电压范围

在输入端,适用于VIN的共模范围也有两个供电轨相关限制,即高电平(接近+VS)和低电平(接近–VS)。高电平时,范围可达共模上限+VS – VCM(HI)(最大正值)。仍以+VS = 5 V为例,如果VCM(HI)为1 V,则VIN上限(最大共模正值)为+VS – VCM(HI)或4 V。

下图2所示为采用假设运算放大器数据时确定VCM(HI)的方法,如上方曲线所示。该运算放大器会在低于图中所示曲线的VCM输入下工作。

图2:运算放大器输出共模范围图示

在实际操作中,实际运算放大器的输入共模范围通常规定为电压范围,不必以+VS或–VS为参考。例如,典型的±15 V工作双电源运算放大器的额定共模工作范围为±13 V。低电平时,同样也存在共模下限。通常用–VS + VCM(LO)来表示,图2中所示为下方VCM(LO)曲线。如果该器件也是采用±15 V电源电压,就可以代表典型性能。以单电源为例,–VS = 0 V的情况下,如果VCM(LO)为100 mV,则共模下限为0 V + 0.1 V(即0.1 V)。本例显示的共模下限在100 mV的–VS范围之内,实际上更适合表示具有共模下限或上限(包括供电轨)的单电源器件。换言之,VCM(LO)或VCM(HI)为0 V。还有包括两个供电轨、具有共模范围的单电源器件。然而,单电源器件往往无法提供图形数据(例如图2所示的共模限值)但是会通过表格形式的额定电压范围来说明性能。

运算放大器差分输入电压范围

在正常工作模式下,运算放大器连接至反馈环路,因此,差分输入电压保持在0 V(忽略失调电压)。但在某些情况下(例如上电),运算放大器可能会受到不等于0的差分输入电压影响。某些输入结构需要限制差分输入电压来防止其受损。这些运算放大器的输入通常还具有内部背靠背二极管,放大器的简化原理图中不一定会显示这些,但是会显示±700 mV(最大值)的差分输入电压规格。此外,图中还显示最大输入差分电流规格。有些放大器内置限流电阻,但这些电阻会提高噪声,因此在低噪声运算放大器中不予使用。

输出电流与输出短路电流

大多数通用运算放大器都有输出级,提供对地或对任一电源的短路保护。这通常称为无限短路保护,因为放大器可以无限地将该电流值输入短路电路。应由运算放大器提供的输出电流即为此时的输出电流。通常要设定限制,使运算放大器能够为通用运算放大器提供10 mA输出电流。如果运算放大器必须同时具备高精度和大输出电流,建议使用独立输出级(反馈环路内),将精密运算放大器的自发热降至最低。该附加放大器通常称为缓冲器,因为其电压增益通常为1。有一些运算放大器能够提供大输出电流。例如AD8534,这是一种四通道器件,四个部分的输出电流均为250 mA。注意,如果同时从四个部分输出250 mA电流,就会超过封装功耗规格,放大器会过热,并且可能会损坏。对低功耗的较小封装而言,这一问题更加严重。

高速运算放大器的输出电流通常不会限制在较低值,因为会影响其压摆率和驱动低阻抗的能力。大多数高速运算放大器的源电流和吸电流都在50至100 mA之间,但也有一些限制在30 mA以下。即使是具有短路保护的高速运算放大器,温度也可能会超过结温(由于短路电流较高),从而导致器件由于长时间短路而受损。

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