主放大器

运算放大器是模数转换电路中的一个最通用、最重要的的单元。全差分运放是指输入和输出都是差分信号的运放, 与普通的单端输出运放相比有以下几个优点: 输出的电压摆幅较大;较好的抑制共模噪声;更低的噪声;抑制谐波失真的偶数阶项比较好等。因此通常高性能的运放多采用全差分形式。近年来,全差分运放更高的单位增益带宽频率及更大的输出摆幅使得它在高速和低压电路中的应用更加广泛。随着日益增加的数据转换率, 高速的模数转换器需求越来越广泛, 而高速模数转换器需要高增益和高单位增益带宽运放来满足系统精度和快速建立的需要。速度和精度是模拟电路两个最重要的性能指标,然而,这两者的要求是互相制约、互为矛盾的。所以同时满足这两方面的要求是困难的。折叠共源共栅技术可以较成功地解决这一难题, 这种结构的运放具有较高的开环增益及很高的单位增益带宽。全差分运放的缺点是它外部反馈环的共模环路增益很小, 输出共模电平不能精确确定,因此,一般情况下需加共模反馈电路[1]。

运放结构的选择

运算放大器的结构重要有三种:(a) 简单两级运放,(b)折叠共源共栅,(c)共源共栅。本次设计的运算放大器的设计指标要求差分输出幅度为±4V, 即输出端的所有NMOS 管的VDSAT,N 之和小于0.5V,输出端的所有PMOS 管的VDSAT,P 之和也必须小于0.5V[1]。

主运放结构

该运算放大器存在两级:(1)Cascode 级增大直流增益(M1-M8)；(2)、共源放大器(M9-M12)[1]。

共模负反馈

对于全差分运放, 为了稳定输出共模电压,应加入共模负反馈电路。在设计输出平衡的全差分运算放大器的时候,必须考虑到以下几点:共模负反馈的开环直流增益要求足够大,最好能够于差分开环直流增益相当;共模负反馈的单位增益带宽也要求足够大,最好接近差分单位增益带宽;为了确保共模负反馈的稳定, 一般情况下要求进行共模回路补偿;共模信号监测器要求具有很好的线性特性;共模负反馈与差模信号无关, 即使差模信号通路是关断的[1]。

该运算放大采用连续时间方式来实现共模负反馈功能。

该结构共用了共模放大器和差模放大器的输入级中电流镜及输出负载。这样,一方面降低了功耗; 另一方面保证共模放大器与差模放大器在交流特性上保持一致。因为共模放大器的输出级与差模放大器的输出级可以完全共用,电容补偿电路也一样。只要差模放大器频率特性是稳定的,则共模负反馈也是稳定的。这种共模负反馈电路使得全差分运算放大器可以像单端输出的运算放大器一样设计, 而不用考虑共模负反馈电路对全差分放大器的影响[1]。

电压偏置电路:宽摆幅电流

在共源共栅输入级中需要三个电压偏置,为了使得输入级的动态范围大一些,宽摆幅电流源来产生所需要的三个偏置电压[1]。

增加信号幅度或功率的装置，它是自动化技术工具中处理信号的重要元件。放大器的放大作用是用输入信号控制能源来实现的，放大所需功耗由能源提供。对于线性放大器，输出就是输入信号的复现和增强。对于非线性放大器，输出则与输入信号成一定函数关系。放大器按所处理信号物理量分为机械放大器、机电

放大器

放大器、电子放大器、液动放大器和气动放大器等，其中用得最广泛的是电子放大器。随着射流技术（见射流元件）的推广，液动或气动放大器的应用也逐渐增多。电子放大器又按所用有源器件分为真空管放大器、晶体管放大器、固体放大器和磁放大器，其中又以晶体管放大器应用最广。在自动化仪表中晶体管放大器常用于信号的电压放大和电流放大，主要形式有单端放大和推挽放大。此外，还常用于阻抗匹配、隔离、电流-电压转换、电荷-电压转换（如电荷放大器）以及利用放大器实现输出与输入之间的一定函数关系（如运算放大器）。

原理：高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。

高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出在 “低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360o，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于 180o；丙类放大器电流的流通角则小于180o。乙类和丙类都适用于大功率工作丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。

主放大器main am仙tier在核辐射探测器，护介于前置放大器和多道分析器之间的单元.主要作用是将又自前置放大器的信号转换成最适合记录的脉冲形状，其次是将信号放大。主要指标是:(L)积分线性和微分线性好;}})增益的温度fir.数要小，稳定性要高;}})噪声要低;(4)抗过载性能好;(5)对间响应性能要好。

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放大器电路，或称放大电路，能增加信号的输出功率。它透过电源取得能量来源，以控制输出信号的波形与输入信号一致，但具有较大的振幅。依此来讲，放大器电路亦可视为可调节的输出电源，用来获得比输入信号更强的输出信号。

放大器的四种基本类型是电压放大器、电流放大器、互导放大器和互阻放大器。进一步的区别在于输出是否是输入的线性或非线性表示。放大器也可以通过在信号链中的物理位置来分类。

集成运算放大器主要类别

放大器

下面对不同特性的集成运算放大器进行介绍。

主放大器通用型集成运算放大器

通用型集成运算放大器是指它的技术参数比较适中，可满足大多数情况下的使用要求。通用型集成运算放大器又分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，其中Ⅰ型属低增益运算放大器，Ⅱ型属中增益运算放大器，Ⅲ型为高增益运算放大器。Ⅰ型和Ⅱ型基本上是早期的产品，其输入失调电压在2mV左右，开环增益一般大于80dB。

主放大器高精度集成运算放大器

高精度集成运算放大器是指那些失调电压小，温度漂移非常小，以及增益、共模抑制比非常高的运算放大器。这类运算放大器的噪声也比较小。其中单片高精度集成运算放大器的失调电压可小到几微伏，温度漂移小到几十微伏每摄氏度。

主放大器高速型集成运算放大器

高速型集成运算放大器的输出电压转换速率很大，有的可达2~3kV/μS。

主放大器高输入阻抗集成运算放大器

高输入阻抗集成运算放大器的输入阻抗十分大，输入电流非常小。这类运算放大器的输入级往往采用MOS管。

主放大器低功耗集成运算放大器

低功耗集成运算放大器工作时的电流非常小，电源电压也很低，整个运算放大器的功耗仅为几十微瓦。这类集成运算放大器多用于便携式电子产品中。

主放大器宽频带集成运算放大器

宽频带集成运算放大器的频带很宽，其单位增益带宽可达千兆赫以上，往往用于宽频带放大电路中。

主放大器高压型集成运算放大器

一般集成运算放大器的供电电压在15V以下，而高压型集成运算放大器的供电电压可达数十伏。

主放大器功率型集成运算放大器

功率型集成运算放大器的输出级，可向负载提供比较大的功率输出。

主放大器光纤放大器

光纤放大器不但可对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件；由于这项技术不仅解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了1550nm频段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑。在目前实用化的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器（EDFA）、半导体光放大器（SOA）和光纤拉曼放大器（FRA）等，其中掺铒光纤放大器以其优越的性能现已广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统、接入网、光纤CATV网、军用系统（雷达多路数据复接、数据传输、制导等）等领域，作为功率放大器、中继放大器和前置放大器。

光纤放大器一般都由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成。目前光纤放大器主要有掺铒光纤放大器、半导体光放大器和光纤拉曼放大器三种，根据其在光纤网络中的应用，光纤放大器主要有三种不同的用途：在发射机侧用作功率放大器以提高发射机的功率；在接收机之前作光预放大器以极大地提高光接收机的灵敏度；在光纤传输线路中作中继放大器以补偿光纤传输损耗，延长传输距离 。

主放大器有线电视干线放大器

干线放大器技术特点：

*．HYF-860B﹑HYF-750B﹑HYF-550B系列温度补偿宽带网络干线放大器采用采用高性能飞利浦CATV专用放大模块，保证了输出信号功率大,频带宽,增益高,线性好,工作稳定。

*．前后两级均衡调节电路，使信号电平平坦度好，有效解决电平“鼓包”现象，并且能使电平带斜率输出，适用于有线电视远距离传输。

*．独有的集成电路式温度补偿能改善由于高低气温差对电缆及放大器的影响，自动控制输出电平的高低。

*．分支型﹑分配型输出选择功能适合实际线路的需要，节省开支；输出馈电显示功能，方便实用。

*．采用双面金属孔化电路板，优质环型变压器电源，使放大器高频性能优异，工作稳定可靠。

*．CATV专用铝合金压铸喷塑外壳，防雨、散热、屏蔽特性好。

*．220V交流供电或者60V集中馈电型任选。

自稳零型放大器，如AD8538、AD8638、AD8551和AD8571系列，通常分两个时钟阶段校正输入失调。在时钟阶段A中，开关φA闭合，开关φB断开，如图1所示。指零放大器的失调电压经过测量后，储存在电容CM1上。

在时钟阶段B中，开关φB闭合，开关φA断开，如图1所示。主放大器的失调电压经过测量后，储存在电容CM2上，同时，储存在电容CM1中的电压调节指零放大器的失调。进而，在处理输入信号时将总失调电压施加到主放大器上

采样保持功能会将自稳零型放大器变为采样数据系统，使其容易发生混叠和折回效应。低频时，噪声变化缓慢，因此两个连续噪声采样相减可实现真正的抵消。高频时，这种相关性减弱，相减误差导致宽带成分折回基带。因此，自稳零型放大器的带内噪声高于标准运算放大器。为了减少低频噪声，必须提高采样频率，但这会引入额外的电荷注入。信号路径仅包括主放大器，因而可以获得相对较大的单位增益带宽。

斩波放大器的工作原理

图2显示斩波型放大器ADA4051的功能框图，它采用本地自动校正反馈(ACFB)环路。主信号路径包括输入斩波网络CHOP1、跨导放大器Gm1、输出斩波网络CHOP2和跨导放大器Gm2。CHOP1和CHOP2将来自Gm 1初始失调和1/f噪声调制到斩波频率。跨导放大器Gm3检测CHOP2输出端的调制纹波，斩波网络CHOP3将该纹波解调回DC。所有三个斩波网络的开关频率均为40 kHz。最后，跨导放大器Gm4消除Gm1输出端的直流成分，否则，它会作为纹波出现在总输出中。开关电容陷波滤波器(SCNF)有选择地抑制不需要的失调相关纹波，但不会干扰总输出中的有用输入信号，它与斩波时钟同步，以便完全地滤除调制分量。

对植入式系统芯片设计中若干关键技术开展了研究，主要围绕适用于微弱信号检测的高输入阻抗前端仪表放大器、高分辨率低功耗超微面积模数转换器以及高效能供能单元的设计技术展开。在高精度建模基础上，开展了放大器低功耗低噪声高输入阻抗设计技术和主放大器电路设计技术研究。其中，分别采用加入新颖的高电容利用率的低通滤波结构，结合斩波技术在大幅减小面积消耗的同时有效抑制了高频纹波，以及运用自调零技术来降低放大器的失调电压、闪烁噪声，抑制斩波调制后对应的高频纹波；通过正反馈技术大幅提升输入阻抗，并引入DC Cancellation Loop抵消被斩波器调制后的电极直流失调电压；应用交叉耦合MOS管降低了功耗，并通过带通结构有效滤除低频和高频的噪声。在模数转换器研究中提出一种改进的Pseudo DWA技术，采用动态器件匹配解决多比特量化调制器中反馈DAC电容失配引起的带内非线性失真，易于实现，确保了较高的转换精度；提出半周期延迟积分器结构，使内部OTA只需工作半个周期，节省近半功耗。并与运放共享技术结合，使相邻积分器内部的运放在同一个时钟周期的不同相位工作，降低了系统工作频率和动态功耗；在调制器内的放大器设计中，采用Class-AB电流镜型OTA结合电流消耗技术来提高运放的DC增益；发展了一种新颖的CMFB电路改善线性，提高反馈速率，减少电荷泄漏带来的误差；发展了一种全开关型Class-AB 电流镜开关运放，在半周期内切断电源以节省50%的整体功耗；采用Cross-Coupling结构增加运放增益，缩短运放恢复时间，通过改进电路减小瞬态功耗，使总功耗再降低近1/4。此外，完成了寄生效应不敏感、面积和功耗优化的极小增益系数谐振器设计，减小了谐振器功耗，并对低功耗量化器进行了面积优化，在高性能调制器领域获得若干具有国际先进水平的成果。同时，开展抽样滤波器的功耗面积优化研究，提出一种可省去前置放大器的动态比较器，采用多种措施如用高密度的MOSCAP电容替代传统的MIM金属电容来节省面积，优化了模数转换器整体性能。针对植入式系统的能量供给特点，提出一种以非接触式充电平台为能量传输方式，超级电容为储能单元，由新型电荷泵变换器为系统供电的新颖集成能量供给系统，并对其中关键模块的设计展开了研究。此外，开展了混合动力源等新型能量系统和模块的研究，完成了用于植入式系统的能量采集系统的超低电压启动单元的研制。 2100433B