浅析放大电路的基本原理和特征
栏目:行业动态 发布时间:2019-01-15 09:22

放大器是能把输入讯号的电压或功率放大的装置,由电子管或晶体管、电源、变压器和其他电器元件组成。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。放大器广泛应用于通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。

放大器是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。

放大电路的基本原理

所谓“放大”,是指将一个微弱的电信号,通过某种装置,得到一个波形与该微弱信号相同、但幅值却大很多的信号输出。这个装置就是晶体管放大电路。

放大电路的放大作用,实质是把直流电源UCC的能量转移给输出信号。

放大电路的核心元件是晶体管,因此,放大电路若要实现对输入小信号的放大作用,必须首先保证晶体管工作在放大区。

晶体管放大电路一般有三种组态:

无论放大电路的组态如何,其目的都是让输入的微弱小信号通过放大电路后,输出时其信号幅度显著增强。

其中,共发射极放大电路是电子技术中应用最为广泛的放大电路形式,其电路组成的一般形式为:

放大器的基本特性

1、增益

增益是指放大器能在多大程度上增大信号的幅值。该参数常用分贝(dB)来度量。 用数学语言来说,增益等于输出幅值除以输入幅值。

2、输出动态范围

输出动态范围,常用dB为单位给出,是指最大与最小有用输出幅值之间的范围。因为最低的有用幅值受限于输出噪声,所以称之为放大器的动态范围。

3、带宽与上升时间

(1)放大器的带宽(BW)常定义为低频与高频半功率点之间的差值。因而也就是常说的-3dB BW。有时也定义在其它的响应容差下的带宽 (-1dB,-6dB等等。)。举例来说,一个好的音频放大器的-3dB带宽将在二十赫兹到两万赫兹左右(正常人的听觉频率范围)。

(2)放大器的上升时间是指当阶跃信号输入时,输出端由其最终输出幅度值10%变化到90%时所化的时间。

4、理想频率特性

增益为常数,相移与频率成正比。即放大器对不同频率的信号具有相同的放大量,并且对任何频率的信号的相移均为零。

5、建立时间与失调

是指输出幅值建立于最终幅值的某个比值(比如0.1%)以内时所花的时间。

6、效率

效率用来量度多少输入能量是应用于放大器输出的。甲类(A类)放大器效率十分低下,约在10-20%之间,最大不超过25%。现代甲乙类(AB类)放大器一般效率都在35-55%之间,理论值可达78.5%。有报道说商用的丁类(D类)放大器的效率可高达97%。放大器的效率限制了总功耗中有用部分所占的比例。注意,效率越高的放大器散热量越小,通常在几个瓦特的设计中也无需风扇。

7、回转率

回转率(slew rate)是指输出电压变量的变化率,常定义为伏特/每秒(或微秒)。

8、噪声系数

是对在放大过程中引入噪声多少的一个量度。噪声是电学器件和元件中不受欢迎却无法避免的。噪声由放大器零输入时输出的分贝或输出电压峰值来度量。也可由输入信号和输出信号的信噪比差值确定,输出信号信噪比恶化了多少dB,则该放大器的噪声系数就是多少dB。

9、线性度

理想放大器应当是完全线性器件,但是实际的放大器仅在某些实际限制下是线性的,其他情况下均会出现失真。当驱动放大器的信号增大后,输出也随之增大,直到达到某个电压值,使得放大器的某部分达到饱和从而不能再增大输出了,称之为“截止失真”(削顶失真、削峰失真)。同样的,存在着“饱和失真”(削底失真)。失真的原因与晶体管的特性以及静态工作点的选择密切相关。

光纤放大器

光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的一个非常重要的成果,它大大地促进了光复用技术、光弧子通信以及全光网络的发展。顾名思义,光放大器就是放大光信号。

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。

光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、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。

光纤放大器原理及分类

EDFA的原理

EDFA的泵浦过程需要使用三能级系统,在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光,就可以将大部分处于基态的Er3+离子抽运到激发态,处于激发态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态。由于Er3+离子在亚稳态能级上寿命较长,因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转。当信号光子通过掺铒光纤时,与处于亚稳态的Er3+离子相互作用发生受激辐射效应,产生大量与自身完全相同的光子,这时通过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多,产生信号放大作用。Er3+离子处于亚稳态时,除了发生受激辐射和受激吸收以外,还要产生自发辐射(ASE),它造成EDFA的噪声。

掺铒光纤放大器(EDFA)具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高、连接损耗低和偏振不敏感等优点,直接对光信号进行放大,无需转换成电信号,能够保证光信号在最小失真情况下得到稳定的功率放大。

EDFA的结构

典型的EDFA结构主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成。

掺铒光纤是EDFA的核心部件。它以石英光纤作为基质,在纤芯中掺人固体激光工作物质铒离子,在几米至几十米的掺铒光纤内,光与物质相互作用而被放大、增强。光隔离器的作用是抑制光反射,以确保放大器工作稳定,它必须是插入损耗低,与偏振无关,隔离度优于40 dB。

EDFA的特性及性能指标

增益特性表示了放大器的放大能力,其定义为输出功率与输入功率之比,Pout,Pin分别表示放大器输出端与输入端的连续信号功率。增益系数是指从泵浦光源输入1 mW泵浦光功率通过光纤放大器所获得的增益。g0是由泵浦强度定的小信号增益系数,由于增益饱和现象,随着信号功率的增加,增益系数下降;Is,Ps分别为饱和光强和饱和光功率,是表明增益物质特性的量,与掺杂系数、荧光时间和跃迁截面有关。

增益和增益系数的区别在于:增益主要是针对输入信号而言的,而增益系数主要是针对输入泵浦光而言的。另外,增益还与泵浦条件(包括泵浦功率和泵浦波长)有关,目前采用的主要泵浦波长是980 nm和1 480 nm。由于各处的增益系数是不同的,而增益须在整个光纤上积分得到,故此特性可用以通过选择光纤长度得到较为平坦的增益谱。

EDFA的带宽

增益频谱带宽指信号光能获得一定增益放大的波长区域。实际上的EDFA的增益频率变化关系比理论的复杂得多,它还与基质光纤及其掺杂有关。在EDFA的增益谱宽已达到上百纳米.而且增益谱较平坦。ED-FA的增益频谱范围在1 525~1 565 nm之间。

EDFA的级联结构

EDFA对光信号功率的放大,特别在无线光通信大功率(瓦级)应用中,常常采用级联的方式,比如两级或者三级放大。之所以采用级联的方式,是因为在EDFA的掺铒光纤(EDF)中插入一个光隔离器,构成带光隔离器的两段级联EDFA,由于光隔离器有效地抑制了第二段:EDF的反向自发辐射(ASE),使其不能进入第一段EDF,减少了泵浦功率在反向ASE上的消耗,使泵浦光子更有效地转换成信号光能量,从而可以明显改善EDFA的增益、噪声系数和输出功率等特性。本文采用丽级级联放大,将1~2 mW的1 550 nm光信号,经EDFA放大到1 W左右。

光信号由LD激光器产生,是已调制的信号,第一级放大采用单包层掺铒光纤放大器,980 nm单模半导体激光器作为泵浦源,将光功率放大到50 mW附近。第一级采用单模半导体激光器泵浦,先将光信号稳定可靠的放大到一定功率,保证了整个光信号的完整,又为下一级光放大提供了较高的光功率基础。第二级采用双包层光纤放大器,多模半导体激光器泵浦源将光功率放大到1 W左右。双包层光纤放大器纤芯比单包层纤芯大,泵浦功率可以有效地耦台到纤芯中,使第二级光信号的输出功率可达到瓦级。

掺铒光纤放大器

掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤这一活性介质,当泵浦光输入到EDF中时,就可以将大部分处于基态的Er3+抽运到激发态上,处于激发态的Er3+又迅速无辐射地转移到亚稳态上,由于Er3+在亚稳态上的平均停留时间为10ms,因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转,此时,信号光子通过掺铒光纤,在受激辐射效应作用下产生大量与自身完全相同的光子,使信号光子迅速增多,这样在输出端就可以得到被不断放大的光信号。

自80年代末至90年代初研制成掺铒光纤放大器(EDFA),并开始应用于1.55mm频段的光纤通信系统以来,推动了光纤通信向全光传输方向发展,且目前EDFA的技术开发和商品化最成熟;应用广泛的C波段EDFA通常工作在1530~1565nm光纤损耗最低的窗口,具有输出功率大、增益高、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率和数据格式无关,且同时放大多路波长信号等一系列的特性,在长途光通信系统中得到了广泛的应用。其不足是C-Band EDFA的增益带宽只有35nm,仅覆盖石英单模光纤低损耗窗口的一部分,制约了光纤固有能够容纳的波长信道数。

然而随着因特网技术的迅速发展,要求光纤传输系统的传输容量要不断地扩大,面对传输容量的扩大,目前主要有三种解决途径:

增加每个波长的传输速率;

减少波长间距;

增加总的传输带宽。

半导体光放大器

半导体光放大器(SOA)是采用通信用激光器相类似的工艺制作而成的一种行波放大器,当偏置电流低于振荡阈值时,激光二极管就能对输入相干光实现光放大作用。由于半导体放大器具有体积小、结构较为简单、功耗低、寿命长、易于同其它光器件和电路集成、适合批量生产、成本低,可实现增益兼开关功能等特性,在全光波长变换、光交换、谱反转、时钟提取、解复用中的应用受到了广泛的重视,特别是目前应变量子阱材料的半导体光放大器的研制成功,已引起人们对SOA的广泛研究兴趣。

国内武邮院与华中科技大学合作成功地研制开发了在光网络中的关键器件--半导体光放大器,并很快实现了产品化,成为继Alcatel公司之后能够批量供应国际市场应用于光开关的半导体光放大器的供货商,这标志着我国自行研制的应变量子阱器件迈出了商品化生产的关键一步。但半导体光放大器与掺铒光纤放大器相比存在着噪声大、功率较小、对串扰和偏振敏感、与光纤耦合时损耗大,工作稳定性较差等缺陷,迄今为止,其性能与掺铒光纤放大器仍有较大的差距。又由于半导体光放大器覆盖了1300~1600nm波段,既可用于1300nm窗口的光放大器,也可以用于1550nm窗口的光放大器,且在DWDM多波长光纤通信系统中,无需增益锁定,那么它不仅可作为光放大器一种有益的选择方案,而且还可以促成1310nm窗口DWDM系统的实现。

光纤拉曼放大器

受激拉曼散射(SRS)是光纤中的一种非线性现象,它将一小部分入射光功率转移到频率比其低的斯托克斯波上;如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输,并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内,弱信号光即可以得到放大,这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为光纤拉曼放大器(FRA)。

近年来光纤拉曼放大器倍受关注,已成为研制开发的热点,它具有许多优点:

(1)增益介质为普通传输光纤,与光纤系统具有良好的兼容性;

(2)增益波长由泵浦光波长决定,不受其它因素的限制,理论上只要泵浦源的波长适当,就可以放大任意波长的信号光;

(3)增益高、串扰小、噪声指数低、频谱范围宽、温度稳定

性好。

正因为光纤拉曼放大器有这么多的优点,它可以放大掺铒光纤放大器所不能放大的波段,并可在1292~1660nm光谱范围内进行光放大,获得比EDFA宽得多的增益带宽;再次增益介质为普通光纤,可制作分立式或分布式FRA,分布式光纤拉曼放大器可以对信号光进行在线放大,增加光放大的传输距离,应用于40Gbit/s的高速光网络中,也特别适用于海底光缆通信系统,而且因为放大是沿着光纤分布而不是集中作用,所以输入光纤的光功率大为减少,从而非线性效应尤其是四波混频效应大大减少,这对于大容量DWDM系统是十分适用的。FRA是EDFA的补充,而不是代替,两者结合起来可获得大于100nm增益平坦宽带,这就是采用分布式光纤拉曼放大器的好处。

但光纤拉曼放大器有一个主要的缺点就是需要特大功率的泵浦激光器,解决这个问题的主要途径有:一是研究降低阈值功率的泵浦激光器,使得普通的大功率半导体激光器能作为拉曼泵浦使用;其二是提高获得更大输出功率泵浦激光器的研制水平;其三是将多个泵浦源激光器的波长采用列阵、单片组合的方法复用在一起,获得一个大功率输出的泵浦激光器,此种方法不但可提供一个宽带的增益谱,而且还可以通过调节单个激光器的功率来调整增益斜率。

运算放大器

运算放大器是一种很常见的集成电路,其将若干个三极管、电阻、电容等元件集成到一个很小的芯片中,以特定的电路形式来完成放大任务。运算放大器是集成电路,因此其同样具有集成电路的优点,其放大精度高、增益大、噪声低、设计简单。在一些对放大元件要求较高的场合,设计人员大量使用运算放大器来代替传统的三极管。

运算放大器的应用范围很广,它不仅可以用于普通的放大,还可以完成信号的加减乘除等“运算”任务,其在滤波器的设计中也担任着重要的角色,一些速度较快、性能较高的运算放大器还可以完成比较简单的信号比较的任务。

运算放大器的工作原理

运算放大器具有两个输入端和一个输出端,如图所示,其中标有“+”号的输入端为“同相输入端”而不能叫做正端),另一只标有“一”号的输入端为“反相输入端”同样也不能叫做负端,如果先后分别从这两个输入端输入同样的信号,则在输出端会得到电压相同但极性相反的输出信号:输出端输出的信号与同相输人端的信号同相,而与反相输入端的信号反相。

运算放大器所接的电源可以是单电源的,也可以是双电源的,如图1-2所示。运算放大器有一些非常有意思的特性,灵活应用这些特性可以获得很多独特的用途,总的来说,这些特性可以综合为两条:

1、运算放大器的放大倍数为无穷大。

2、运算放大器的输入电阻为无穷大,输出电阻为零。

首先,运算放大器的放大倍数为无穷大,所以只要它的输入端的输入电压不为零,输出端就会有与正的或负的电源一样高的输出电压本来应该是无穷高的输出电压,但受到电源电压的限制。准确地说,如果同相输入端输入的电压比反相输入端输入的电压高,哪怕只高极小的一点,运算放大器的输出端就会输出一个与正电源电压相同的电压;反之,如果反相输入端输入的电压比同相输人端输入的电压高,运算放大器的输出端就会输出一个与负电源电压相同的电压(如果运算放大器用的是单电源,则输出电压为零)。

其次,由于放大倍数为无穷大,所以不能将运算放大器直接用来做放大器用,必须要将输出的信号反馈到反相输入端(称为负反馈)来降低它的放大倍数。如图1-3中左图所示,R1的作用就是将输出的信号返回到运算放大器的反相输入端,由于反相输入端与输出的电压是相反的,所以会减小电路的放大倍数,是一个负反馈电路,电阻Rf也叫做负反馈电阻。

还有,由于运算放大器的输入为无穷大,所以运算放大器的输入端是没有电流输入的——它只接受电压。同样,如果我们想象在运算放大器的同相输入端与反相输入端之间是一只无穷大的电阻,那么加在这个电阻两端的电压是不能形成电流的,没有电流,根据欧姆定律,电阻两端就不会有电压,所以我们又可以认为在运算放大器的两个输人端电压是相同的(电压在这种情况就有点像用导线将两个输入端短路,所以我们又将这种现象叫做“虚短”)。

运算放大器的分类

运算放大器按参数可分为如下几类:

通用型运算放大器:主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。

低温漂型运算放大器:在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。

高阻型运算放大器:特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid>1GΩ~1TΩ,IB为几皮安到几十皮安。

高速型运算放大器:主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。

低功耗型运算放大器:由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。

高压大功率型运算放大器:运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。

可编程控制运算放大器:在仪器仪表得使用过程中都会涉及到量程得问题.为了得到固定电压得输出,就必须改变运算放大器得放大倍数。

功率放大器

功率放大器,简称“功放”,很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务,这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口,而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用,在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。

功率放大器基本原理

利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波,即交流信号电流,三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍,β是三极管的交流放大倍数,应用这一点,若将小信号注入基极,则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍,然后将这个信号用隔直电容隔离出来,就得到了电流(或电压)是原先的β倍的大信号,这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流放大,就完成了功率放大。

功率放大器的分类

功率放大器电路的划分主要是由功放级输出电路形式来决定,常见的音频功率放大器主要有下列几种:

1、变压器耦合甲类放大器电路主要用于电子管放大器中;

2、变压器耦合推挽功率放大器电路主要用于一些输出功率较大的电子管放大器中;

3、OTL功率放大器电路主要用于一些输出功率较小的放大器中;

4、OCL功率放大器是一种常用的放大器电路,常用于一些输出功率要求较大的功率放大器中;

5、BTL功率放大器电路主要用于一些要求输出功率更大的场合。

其中,OTL、OCL和BTL功率放大器电路主要用于晶体管放大器中。

功率放大器的类型

根据三极管在放大信号时的信号工作状态和三极管静态电流大小划分,放大器电路主要有3种放大器类型:一是甲类放大器电路,二是乙类放大器电路,三是甲乙类放大器电路。

除上述三种放大器电路之外,还有超甲类等许多种放大器电路。音响系统中由于不允许存在信号的非线性失真,所以只用甲类放大器电路和甲乙类放大器电路。

甲类放大器

甲类放大器就是给放大管加入合适的静态偏置电流,这样用一只三极管同时放大信号的正、负半周。在功率放大器电路中,功放输出级中的信号幅度已经很大,如果仍然让信号的正、负半周同时用一只三极管来放大,这种电路称之为甲类放大器。

在功放输出级放大器电路中,甲类放大器的功放管静态工作电流设得比较大,要设在放大区的中间,以便给信号正、负半周有相同的线性范围,这样当信号幅度太大时(超出放大管的线性区域),信号的正半周进入三极管饱和区而被削顶,信号的负半周进入截止区而被削顶,此时对信号正半周与负半周的削顶量是相同的。

甲类放大器电路的主要特点如下所述:

1、在音响系统中,甲类功率放大器的音质最好。由于信号的正、负半周用一只三极管来放大,信号的非线性失真很小,这是甲类功率放大器的主要优点。

2、信号的正、负半周用同一只三极管放大,使放大器的输出功率受到了限制,即一般情况下甲类放大器的输出功率不可能做得很大。

功率三极管的静态工作电流比较大,在没有输入信号时对直流电源的消耗比较大。

乙类放大器

所谓乙类放大器就是不给三极管加静态偏置电流,且用两只性能对称的三极管来分别放大信号的正半周和负半周,正、负半周再在放大器的负载上将正、负半周信号合成一个完整的周期信号。

由于这种放大器没有给功放输出管加入静态电流,它会产生交越失真,这种失真是非线性失真的一种,对声音的音质破坏严重。所以,乙类放大器电路是不能用于音频放大器电路中的。

甲乙类放大器

为了克服交越失真,必须使输入信号避开三极管的截止区,可以给三极管加入很小的静态偏置电流,以使输入信号“骑”在很小的静态偏置电流上,这样可以避开了三极管的截止区,使输出信号不失真。

甲乙类放大器电路的主要特点如下所述:

(a).这种放大器同乙类放大器电路一样,也是用两只三极管分别放大输入信号的正、负半周,但给两只三极管加入了很小的静态偏置电流,以使三极管刚刚进入放大区。

(b).由于给三极管所加的静态直流偏置电流很小,所以在没有输入信号时放大器对直流电源的消耗比较小(比起甲类放大器要小得多),这样具有乙类放大器的省电优点,同时因加入的偏置电流克服了三极管的截止区,对信号不存在失真,又具有甲类放大器无非线性失真的优点。所以,甲乙放大器具有甲类和乙类放大器的优点,同时克服了这两种放大器的缺点。正是由于甲乙类放大器无交越失真,又具有输出功率大和省电的优点,所以被广泛地应用于音频功率放大器电路中。

当这种放大电路中的三极管静态直流偏置电流太小或没有时,就成了乙类放大器,将产生交越失真。

推挽放大器

在功率放大器电路中大量采用推挽放大器电路,这种电路中用两只三极管构成一级放大器电路,两只三极管分别放大输入信号的正半周和负半周,即用一只三极管放大信号的正半周,用另一只三极管放大信号的负半周,两只三极管输出的半周信号在放大器负载上合并后得到一个完整周期的输出信号。

推挽放大器电路中,一只三极管工作在导通、放大状态时,另一只三极管处于截止状态,当输入信号变化到另一个半周后,原先导通、放大的三极管进入截止,而原先截止的三极管进入导通、放大状态,两只三极管在不断地交替导通放大和截止变化,所以称为推挽放大器。

互补推挽放大器

互补是通过采用两种不同极性的三极管,利用不同极性三极管的输入极性不同,用一个信号来激励两只不同极性的三极管,这样可以不需要有两个大小相等、相位相反的激励信号。

这种利用NPN型和PNP型三极管的互补特性,用一个信号来同时激励两只三极管的电路,称之为“互补”电路,由互补电路构成的放大器称为互补放大器电路。由于VT1和VT2管工作时,一只三极管导通、放大,另一只三极管截止,工作在推挽状态,所以称为互补推挽放大器。

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