高性能放大器（共6篇）
高性能放大器 篇1
0引言
可变增益放大器 (VGA) 是自动增益控制 (AGC) 系统的一个关键电路模块。它起着改变系统增益, 调整系统各级动态范围并进行功率控制的作用。因此可变增益放大器在各种需要进行自动增益控制的系统, 如移动通信系统, 磁盘读取驱动电路和电视调谐器等领域具有广泛的应用。图1是可变增益放大器在无线通信系统的典型应用。这是一个典型的超外差接收机结构。从图中可以看出, 可变增益放大器位于接收模块的后端, 由于信号在接收模块的前端电路, 如低噪声放大器 (LNA) 和混频器中已经得到一定程度的放大, 在到达可变增益放大器时其幅度相对较大, 因此系统对可变增益放大器的输入动态范围和线性度有着相对较高的要求。另外, 随着集成电路工艺的进步, 系统的工作电压也随之降低, 低电压低功耗设计也成为高性能可变增益放大器设计的一大难点。本文第2节总结了常用的可变增益放大器结构, 及其增益控制方法。第3节介绍了一种高性能可变增益放大器电路结构, 并从增益, 带宽, 线性度, 功耗等性能指标提出了高性能可变增益放大器的设计方法及其折衷设计。第4节是全文的一个小结。
1可变增益放大器的常用结构及其增益控制方法
从电路实现形式上可变增益放大器一般可划分为两种结构:开环结构和闭环结构;从增益控制方式上可变增益放大器可分为由模拟信号控制的增益连续可调的可变增益放大器和由数字码字控制的增益步进变化的可编程增益放大器 (PGA) , 不管是那种控制方式, 为了确保自动增益控制环路具有恒定的建立时间, 可变增益放大器的增益变化和控制信号之间必须是对数线性的函数关系[1]。由于按照第二种划分方法进行设计的可变增益放大器其主体电路基本相同, 只是增益控制方法不同, 本节将按照开环和闭环两种结构来展开讨论。
1.1开环结构
一般地, 开环结构的放大器增益可由下式表示:
其中:gm为放大器的等效输入级跨导, rout为放大器的等效输出电阻。因此可以通过改变放大器的等效输入跨导或者等效输出电阻来改变放大器的增益。在实际设计中这两种方法都有应用。当采用第一种方法设计电路时, 输出电阻可由串联电阻和MOS管开关来实现。开关的通断控制了输出电阻的大小, 进而达到改变增益的目的。输出电阻还可以使用多晶硅电阻与MOS管相并联的结构。通过控制MOS管栅极电压改变其等效电阻, 进而改变并联阻值。通过改变放大器的等效输入跨导实现增益可变的结构如图2所示。
该结构是一种双平衡乘法器电路。增益控制信号既可以加在上层电路也可以加在下层电路上。理想情况下, 该乘法器的最小增益为零, 因而其动态范围非常大。
图3所示的使用源极负反馈增益级的可变增益放大器也是一种通过改变等效输入跨导进行增益控制的结构。该增益级的等效跨导和增益分别为:
由式 (3) 可知:改变负反馈电阻Rdeg的阻值即可改变放大器的增益。注意到该增益值是由两电阻的比值决定的, 由于在集成电路工艺下很容易实现精确的电阻比值, 因而该可变增益放大器可以实现较高的精度, 同时源极反馈电阻还可以提高该可变增益放大器的线性度。
1.2闭环结构
在闭环结构的可变增益放大器中, 最常见的是基于全差分运算放大器的电阻负反馈网络, 如图4所示。理想情况下该电路的增益为:
改变电阻的阻值就可实现增益变化。电阻的实现和开环结构类似。注意到该增益表达式和式 (3) 一样都是由电阻的比值决定的因而可达到很高的精度。在适当的设计下, 它可以实现端到端的输入输出, 信号动态范围大。由于闭环结构采用了负反馈技术, 因而放大器的线性度较好, 带宽不随增益变化, 且具有较强的抗工艺偏差的能力, 温漂小。但是电路的结构相对复杂, 当采用全差分结构时需要设计共模反馈电路 (CMFB) , 功耗相对较高。因此设计者应根据项目需要合理选择放大器的结构。
2一种低压低功耗的高性能可变增益级
本节将介绍一种用于低压低功耗设计的高性能可变增益电路结构[2], 如图5所示。该电路采用了一种新的电路单元FVF (Flipped Voltage Follower) [3], 如图6所示。这种新的模拟电路单元可以有效地降低可变增益放大器的工作电压和功耗, 并且具有比一般放大器更好的性能。下面将具体分析该电路的性能参数。
从图5可以看出, 该电路正常工作时 (即各MOS管都工作在饱和区) 所需的最小电源电压为:
其中, VTH为MOS管的开启电压, VDSsat是MOS管工作在饱和区时漏极和源极之间所需的最小压降。在0.35 μm COMS工艺条件下, 最小电源电压可小于1 V[3]。在适当的偏置条件下, 该电路可工作在甲乙级 (Class AB) 状态, 因而可大大降低整个电路的功耗。由于该电路的结构完全对称, 我们可用分析差分放大器的方法来求电路的增益。在忽略衬底偏置效应的条件下, 该电路的增益为:
其中:RL为负载电阻, R为源极反馈电阻。该增益表达式和 (3) 式类似, 因而可具有较高的准确度和线性度。由于电路的主极点由输出节点产生, 如果通过改变源极反馈电阻来控制增益, 则在电路不同的增益值下, 电路的带宽几乎不变。源极反馈电阻可由第2节论述的方法来实现, 这里不再赘述。由以上分析可知, 该电路可从增益, 带宽和功耗方面进行优化设计, 从而达到比一般电路结构更好的性能。另外, 该电路结构简单, 易于集成, 可作为高性能可变增益放大器增益级的标准模块。
3结束语
本文对各种结构的可变增益放大器进行了阐述, 并对相应结构的优缺点和性能参数的折衷设计进行了探讨。最后给出了一个高性能可变增益级的电路实例。开环结构的可变增益放大器, 电路结构简单, 且易于实现增益控制, 可以实现低功耗和大带宽。但是由于受到输入级等效跨导gm线性度的制约和工艺偏差的影响, 这种结构的可变增益放大器的线性度和准确度不容易做高, 在设计中需要一些线性化技术和冗余设计, 以确保系统的性能要求。闭环结构的可变增益放大器由于采用了负反馈技术, 因而线性度和增益准确度较高, 且受工艺偏差的影响相对较小。但是为了确保反馈回路的稳定性, 放大器在接成负反馈之前一般需要进行频率补偿, 补偿后的放大器的开环单位增益带宽一般低于第一非主极点值[4]。因而这种结构的可变增益放大器的带宽不易做大, 虽然负反馈可在一定程度上提高补偿后的放大器带宽。另外闭环结构的电路实现复杂, 功耗难于降低。显然, 任何一种高性能的可变增益放大器不可能在每一个性能指标上都有突出的表现, 设计者必须根据实际项目的要求进行折衷设计, 并运用高性能的模拟电路单元来进行优化设计以满足系统的需要。
参考文献
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一种性能优良的宽带放大器 篇2
1 设计原理
本设计以可变增益宽带放大器AD603为核心，由三级放大器组成。前级放大主要是提高输入阻抗，对小信号进行放大;中间级以可变增益宽带放大器AD603为核心来提高增益和扩大AGC控制范围，间隔和提高准确度，增益控制和AGC功能都由单片机控制，可预置并显示增益值，增益可调范围10d B～58d B，步进1d B，由单片机自动调节放大倍数可实现AGC功能，使输出电压稳定在4.5V～5.5V之间;后级放大进一步增加放大倍数，扩大输出电流，提升放大器的带负载能力，提高输出电压幅度。后级输出接峰值检波电路，检波电路输出由单片机采样并计算后，用液晶显示屏显示输出正弦波电压的有效值和峰峰值。由于宽带放大器普遍存在容易自激及输出噪声过大的缺点，本文采用了多种形式的屏蔽措施减少了干扰，抑制了噪声，改善了系统性能。
2 设计方案
2.1 前级放大器设计
AD603的输入电压峰峰值为1.4V，所以前级放大不宜过大，以免输入大信号时会烧坏芯片。考虑到AD603输入电压范围，本设计采取前级放大3.5倍，硬件采用视频放大器AD818，其带宽100MHz，接成反相放大形式，选取，R1=2k, Rf=7k则放大倍数。
2.2 中间级电路设计
为加大中间级的放大倍数及增益调节范围，本文使用两片AD603级联作为中间级放大器。将AD603的5脚和7脚相连，单级AD603增益调整范围为-10～+30d B，带宽为90MHz，两级AD603级联，使得增益可调范围扩大到-20d B～+60d B。另外，通过A/D采样输出信号，由单片机计算后，再去调整D/A输出电压，就可实现AGC功能，扩大通频带。
2.3 输出级电路设计
后级输出电路我们采用输入阻抗较高的同相放大形式，后级放大倍数取8.45，则同相放大电路的增益，考虑到实际应用中的误差，本文选取Rf=8.2k R1=1k。
2.4 单片机最小系统
单片机系统采用AT89C52为核心，时钟信号采用12MHz晶体，扩展了32k的外部数据存储器，采样FLASHROM28C256作为外部数据存储器，可以保存预置增益值。采用可编程键盘专用接口芯片8279扩展键盘;显示部分采用128×64的点阵液晶显示器，A/D转换器用AD1674, D/A转换器用AD667。
键盘控制模块采用8279控制8×2键盘，键盘扫描方式采用编码方式，由于8279能够自动消除按键抖动，以及可以使用中断方式处理按键。所以，使用8279可以代替单片机完成键盘的许多接口操作，从而大大的减轻了单片机的负担，使单片机可以腾出更多资源。
本文采用信利的MSC-G12864DYSY-5W作为显示器，该液晶屏是128×64的点阵液晶显示屏，可通过控制字实现指令和数据的写入，但显示数据占用的存储器空间太大，因此，本系统上加了一个512k的Flash Rom (29F040)，将国标汉字点阵信息存放在Flash Rom中，显示汉字时，只需给出内码，由内码算出该汉字点阵存放的地址，读取后送显。汉字的内码有两个字节(X, Y), X, Y为16进制数，利用下式将内码转换为汉字点阵在字库中的存放位置。
本文采用单片机和CPLD配合控制外部数据存储器29F040，由单片机给出高位地址，CPLD给出低五位地址，单片机每次从字库中读出一个汉字的点阵信息共32个字节。D/A转换器采用AD667, AD667是12位的D/A转换器，由它输出控制电压给AD603的控制端GPOS，精确控制AD603的增益，达到增益控制的目的。A/D转换器采用AD1674, AD1674是12位的A/D转换器，其管脚与AD574兼容，并带采样保持。用于采样输出信号送与单片机计算，并与D/A配合实现AGC功能。
2.5 峰值检波电路设计
由于本系统信号频率很宽，如果采用有源器件组成的峰值检波电路，在低频和高频段均有较大失真，不能得到与峰值线性对应的直流电平。所以本文采用无源峰值检波电路，电路中二极管均选用锗管，因为其特性近似平方率曲线，变化较为平缓，二极管导通时电容充放电速度较为缓慢，输出幅度较为平坦，纹波较小。本文最后得到的检波电路输出信号电压约为输入电压峰值的1/6。
3 增益控制实验结果
实验数据如下表所示：Vin=25mV, f=10KHz
实验结果表明增益值10d B～58d B可调，步进间隔1d B。而且增益预置值与实测误差的最大绝对值为0.5d B，达到预期目标。
4 结论
本文设计的宽带放大器偏重于模拟电路处理，前级放大采用反相输入形式抑制共模信号、降低噪声，选用集成芯片作增益控制，利用分立元件作后级放大，得到了很高的增益和较宽的AGC动态范围，设计很灵活且容易实现。
摘要：本文设计出一种以AD603为核心的宽带放大器。实验表明该放大器具有结构简单、频带宽, 增益高, 且增益可调, AGC动态范围宽、步进间隔小的特点。
关键词：AD603,宽带放大器
参考文献
[1]张展, 余涵, 张安安.宽带放大器[J].电子世界, 2004.
WDM系统中光放大器的性能介绍 篇3
我们知道光纤有一定的衰耗, 光信号尤其是光WDM (wavelength-division multiplex光波分复用) 信号沿光纤传播将会衰减, 传输距离受衰减的制约。因此, 为了使光信号特别是光WDM信号传得更远, 我们必须在中途对光进行放大。传统的增强光信号的方法是使用再生器。但是, 这种方法存在许多缺点。随着光通信技术的发展, 尤其是光WDM的进步, 我们有了一种直接光放大技术——光放大器。
1.1 光放大器的特点
光放大器的工作不需要转换光信号到电信号, 放大后再转回光信号, 它是直接对光进行放大。这个特性导致光放大器比再生器有两大优势。第一, 光放大器支持任何比特率和信号格式;第二, 光放大器不仅支持单个信号波长放大——像再生器, 而且支持多个波长信号 (光WDM) 的光信号放大。
1.2 光放大器的分类
现在主要有两种类型的光放大器:半导体光放大器 (SOA) 和光纤放大器 (OFA) 。半导体光放大器利用半导体材料固有的受激辐射放大机制, 实现光放大, 其原理和结构与半导体激光器相似。光纤放大器与半导体放大器不同, 光纤放大器的活性介质 (或称增益介质) 是一段特殊的光纤或传输光纤, 并且和泵浦激光器相连, 当信号光通过这一段光纤时, 信号光被放大。光纤放大器又可以分为掺稀土离子光纤放大器 (Rare Earth Ion Doped Fiber Amplifier) 和非线性光纤放大器。
1.3 光放大器的主要性能参数
光放大器是一个模拟器件, 所以它的性能参数都是模拟参数。
1.3.1 增益 (Gain)
增益是输出光功率与输入光功率之比, 也就是:
增益=POUT/PIN
其中POUT和PIN分别是输出光功率和输入光功率, 功率的单位为瓦特, 通常我们用分贝 (dB) 为单位来表示增益, 也就是:
增益 (dB) =10lg (POUT/PIN)
1.3.2 噪声指数 (N F)
光放大器的噪声指数 (NF, Noise Figure) 的定义式为光放大器输入输出端口的信噪比 (SNR, Signal to Noise Ratio) 的比值:
1.3.3 增益带宽
所谓增益带宽是指光放大器有效的频率 (或波长) 范围, 通常指增益从最大值下降3dB时, 对应的波长范围, 对于WDM系统, 所有光波长通道都要得到放大, 因此, 光放大器必须具有足够宽的增益带宽。
1.3.4 饱和输出功率
光放大器的输入光功率范围有一定的要求, 当输入光功率大于某一阈值时, PT就会出现增益饱和;增益饱和是指输出功率不再随输入功率增加而增加或增加很小。根据ITU-T的建议, 当增益比正常情况低3dB时的输出光功率称为饱和输出功率, Ps, 其单位通常用dBm表示。
2 掺铒光纤放大器
一种类型的光纤放大器是掺稀土离子光纤放大器。掺稀土离子光纤放大器是利用稀土金属离子作为工作物质, 利用离子的受激辐射进行光信号放大。用在光放大器中的稀土金属离子通常有铒 (Er) 、钕 (Nd) 、镨 (Pr) 、铥 (Tm) 等。掺稀土离子光纤放大器中比较成熟的是掺铒光纤放大器 (EDFA) 。
2.1 掺铒光纤放大器的工作原理
2.1.1 掺铒光纤中Er3+离子受激辐射和自发辐射
掺铒光纤是光纤放大器的核心, 它是一种内部掺有一定浓度Er3+的光纤, 为了阐明其放大原理, 需要从铒离子的能级图讲起。铒离子的外层电子具有三能级结构, 其中E1是基态能级, E2是亚稳态能级, E3是高能级。
当用高能量的泵浦激光来激励掺铒光纤时, 可以使铒离子的束缚电子从基态能级大量激发到高能级E3上。然而, 高能级是不稳定的, 因而铒离子很快会经历无辐射跃迁落入亚稳态能级E2。而E2能级是一个亚稳态的能带, 在该能级上, 粒子的存活寿命较长 (大约10ms) 。受到泵浦光激励的粒子, 以非辐射跃迁的形式不断地向该能级汇集, 从而实现粒子数反转分布-即亚稳态能级E2上的离子数比基态E1上的多。当具有1550nm波长的光信号通过这段掺铒光纤时, 亚稳态的粒子受信号光子的激发以受激辐射的形式跃迁到基态, 并产生出与入射信号光子完全相同的光子, 从而大大增加了信号光中的光子数量, 即实现了信号光在掺铒光纤传输过程中的不断被放大的功能。
在EDF中绝大多数受激Er离子因受激辐射而被迫回到基态E1, 但它们中有一部分是自发回落到基态的。当这些受激离子衰变时, 它们也自发地辐射光子。自发辐射的光子与信号光子在相同的频率 (波长) 范围内, 但它们是随机的。那些与信号光子同方向的自发辐射光子也在EDF中放大。这些自发辐射并被放大的光子组成放大的自发辐射 (ASE) 。由于它们是随机的, 它们对信号没有贡献, 却产生了在信号光谱范围内的噪声。
2.1.2 掺铒光纤放大器光学结构
为了实现光功率放大的目的, 将一些光无源器件、泵浦源和掺铒光纤以特定的光学结构组合在一起, 就构成了EDFA光放大器。信号光和泵浦激光器发出的泵浦光经过WDM耦合器后进入掺铒光纤EDF, 其中两只泵浦激光器构成两级泵浦, 掺铒光纤EDF在泵浦光的激励下可以产生放大作用, 从而也就实现了放大光信号的功能。
(1) 掺铒光纤。
掺铒光纤的工作机理前面已经详细介绍, 这里不累述。
(2) 光耦合器。
光耦合器, 顾名思义, 就是具有耦合的功能, 其作用是将信号光和泵浦光耦合, 并一起送入掺铒光纤, 也称光合波器, 通常使用光纤熔锥型耦合器。
(3) 光隔离器。
光路中两只隔离器的作用分别是:输入光隔离器可以阻挡掺铒光纤中反向ASE对系统发射器件造成干扰, 以及避免反向ASE在输入端发生反射后又进入掺铒光纤产生更大的噪声;输出光隔离器则可避免输出的放大光信号在输出端反射后进入掺铒光纤消耗粒子数从而影响掺铒光纤的放大特性。
(4) 泵浦激光器。
泵浦激光器是EDFA的能量源泉, 它的作用是为光信号的放大提供能量。通常是一种半导体激光器, 输出波长为980nm或1480nm, 泵浦光经过掺铒光纤时, 将铒离子从低能级泵浦到高能级, 从而形成粒子数反转, 而当信号光经过时, 能量就会转移到光信号中, 从而实现光放大的作用。
(5) 分光器。
EDFA中所用的分光器为一分二器件其作用是将主通道上的光信号分出一小部分光信号送入光探测器以实现对主通道中光功率的监测功能。
(6) 光探测器。
光探测器是一种光强度检测器, 它的作用是将接收的光功率通过光/电转换变成光电流, 从而对EDFA模块的输入、输出光功率进行监测。
2.2 掺铒光纤放大器的优缺点
掺铒光纤放大器的主要优点。
(1) 工作波长与单模光纤的最小衰减窗口一致。 (2) 耦合效率高。由于是光纤放大器, 易与传输光纤耦合连接。 (3) 增益特性与系统比特率和数据格式无关。
掺铒光纤放大器的主要缺点:增益波长范围固定。Er离子的能级之间的能级差决定了EDFA的工作波长范围是固定的, 只能在1550nm窗口。
3 掺铒光纤放大器
3.1 拉曼光纤放大器的原理
在常规光纤系统中, 光功率不大, 光纤呈线性传输特性。当注入光纤-非线性光学介质中的光功率非常高时, 高能量 (波长较短) 的泵浦光散射, 将一小部分入射功率转移到另一频率下移的光束, 频率下移量由介质的振动模式决定, 此过程称为拉曼效应。
3.2 拉曼光纤放大器的特点
拉曼光纤放大器有以下三个突出的特点。
(1) 其增益波长由泵浦光波长决定, 只要泵浦源的波长适当, 理论上可得到任意波长的信号放大。 (2) 其增益介质为传输光纤本身;这使拉曼光纤放大器可以对光信号进行在线放大, 构成分布式放大, 实现长距离的无中继传输和远程泵浦, 尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合, 而且因为放大是沿光纤分布而不是集中作用, 光纤中各处的信号光功率都比较小, 从而可降低非线性效应尤其是四波混频 (FWM) 效应的干扰。 (3) 噪声指数低, 这使其与常规EDFA混合使用时可大大降低系统的噪声指数, 增加传输跨距。
3.3 拉曼光纤放大器的优缺点
拉曼光纤放大器的优点如下。
(1) 在任何类型光纤上都有增益, 增益波长由泵浦波长决定。 (2) 放大器结构较简单。 (3) 可抑制非线性效应。
拉曼光纤放大器的主要缺点如下。
(1) 泵浦的光子效率较低, 需要高功率泵浦。 (2) 强烈的偏振相关增益, 采用正交泵浦方式。 (3) 瞬态增益, 采用后向泵浦方式。
4 半导体光放大器
4.1 半导体光放大器的原理
载有原始数据的光输入信号通过耦合光设备进入半导体光放大器的有源区。因为单模光纤的模场直径MFD的典型值是9.3μm, 而有源区的厚度尺寸较小甚至可能是十分之几微米。输入信号光子激发电子—空穴复合, 并辐射出与输入信号相同的光子。
4.2 半导体光放大器的特点
半导体光放大器的主要优点如下。
(1) SOA能工作在1310nm和1550nm两个波长窗口上, 甚至能同时工作在两个波长窗口上。 (2) SOA有较宽的工作带宽。 (3) SOA能够和其他的半导体器件和光学器件集成为一个芯片, 称为光电集成电路 (OEIC) 。
半导体光放大器的主要缺点如下。
(1) SOA存在相对较高的串扰和噪声。 (2) SOA对偏振较敏感, 而且, 像其他半导体器件一样, SOA对温度敏感。 (3) 半导体光放大器与光纤耦合的效率较低。
5 结语
光放大器的作用是补偿光信号传输和处理过程中的功率衰减。目前主要有两种类型的光放大器:半导体光放大器和光纤放大器。掺铒光纤放大器是运用受激辐射的原理增强光信号的功率, 工作波长范围在1550nm窗口;掺铒光纤放大器具有增益高、输出功率大、工作光学带宽较宽、与偏振性小、噪声指数较低等特点, 广泛用于光WDM系统中。
半导体光放大器由于其自身的缺点, 目前还没有被广泛应用。
摘要：本文将介绍光放大器的基本性能, 较仔细地介绍了三种光放大器, 包括掺铒光纤放大器 (EDFA) 、半导体光放大器 (SOA) 、拉曼光纤放大器的基本原理和优缺点。
关键词：WDM系统,光放大器,性能
参考文献
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高性能放大器 篇4
在高精度伪码测距系统中, 高功率放大器 (HPA) 是信号发射链路的重要组成部分。一个理想的放大器, 其输入/输出响应呈线性关系, 即其幅频响应和相频响应均为常数。实际的放大器则偏离了此线性特征, HPA会将非线性失真引入到信号中, 而导航信号的非线性失真导致扩频码自相关函数发生性变, 从而恶化系统的伪码测距性能, 从而引起较大的伪码测距误差。对于放大器对伪码测距的影响, 主要集中在放大器的工作点选择对测距误差的影响, 但多都是基于恒包络信号进行的分析。在实际情况下, 噪声和干扰的引入, 使得信号包络发生变化, 这使得放大器的非线性失真更加明显。基于此考量, 本文给出了在噪声和干扰条件下导航信号的伪码测距的理论分析和仿真验证。
1 信号失真模型
导航系统信号发射的原理框图如图1所示。对导航信号进行伪码调制和载波调制, 由于传播信道中引入的干扰, 信号成分变得复杂;在接收端经过滤波和放大处理之后, 再对信号做载波相关和伪码相关处理。这里, 假定对信号的载波实现完美跟踪。
1.1 导航信号模型
直扩导航信号记为s (t) :
式中:dm (t) 表示导航信息;cj (t) 是伪码, 取值为1或-1;p (t) 为信号的调制波形, 本次仿真采用的是BPSK调制;Tc是单个码片长度;T是单个导航比特的长度, 这里T=NTc。
记干扰信号为i (t) , 则接收信号记为:
1.2 放大器模型
的放大特性一般为非线性无记忆模型。该模型由两个非线性函数作为表征, 即AM-AM特性和AM-PM特性, 表现为给定条件下的输入信号幅度, 放大器的输出会有幅度和相位上的非线性转换特性。本文采用的放大器模型是Saleh模型, 其AM-AM特性和AM-PM特性表达为:
式中:A是输入信号幅度;FA, FP分别表示输出信号幅度和相位的特性函数, 本次仿真模型系数为:α1=2.401 1, β1=1.466 3, α2=1.158 3, β2=0.409 4。基于此, 得到了带干扰信号经过放大器之后的输入/输出:
考虑到干信比很大, 放大器的输出主要受干扰信号的影响, 因此, 式 (4) 可以写作:
2 非线性放大条件下伪码跟踪误差理论分析
在载波实现完美跟踪的条件下, 载波成分被剥离出来, DLL对接收信号做伪码相关处理:
其中:
假如干扰信号包络在积分时间内起伏不明显, 则:
而根据文献[3]中提出来的环路分析理论, DLL的跟踪误差与鉴相曲线S (ε) 在S (ε) 为0时的一阶导数有关。当积分时间足够长, 且干扰在积分时间内包络起伏比较稳定的条件下, 干扰信号与导航信号无关的时候, 可以得到:
而文献[4]中给出的鉴相曲线在零点的导数为:
式中:Gs (f) 表示的是信号s (t) 的功率谱密度函数。基于此, 可以得到, 强干扰条件下的经过放大器非线性失真之后的码环鉴别器在零点的导数发生了变化。在不存在干扰的条件下, 码环鉴别器增益为式 (10) 的后半部分, 而引入干扰之后, 鉴别器增益为:
而根据线性环路理论, 鉴别器的输出在测距误差不大的情况下表现为线性特性, 当信干比和信噪比不变的的情况下, 干扰的存在必然会影响伪码测距的精度。
3 非线性放大失真对伪码测距误差的仿真分析
第2节的理论分析表明, 伪码跟踪环路的鉴相S曲线形状决定伪码测距误差的系能。放大器输入端信号幅度的变化会使放大器之后的输出呈现出非线性, 而经过失真的信号使得码环输出的鉴相曲线形状发生变化, 这必然会影响到伪码测距误差。
本次仿真的导航信号采用恒包络的BPSK调制, 引入的干扰为包络起伏宽带干扰。基于两种考虑, 首先, 导航信号对宽带扫频式干扰的抗干扰性不明显;包络不恒定时, 放大器非线性失真更加明显。仿真结果如图2~图4所示。这里采用的干信比为30 d B, 其形式为:
图3中的干扰中a b=4 3, 则其峰值-平均功率比为2.39;图4中a b=1, 峰值-平均功率为1.333。仿真结果表明, 无干扰时, 信号包络恒定, 放大器不会引入非线性失真, 经过放大器和未经过放大器的信号, 其相关曲线和鉴相曲线几乎重合;经过放大器和未经过放大器的信号, 其相关曲线和鉴相曲线几乎重合;而当引入干扰之后, 经过放大器前后的信号做伪码相关时, 其相关曲线已经发生变化, 而在非线性区域两条鉴相曲线差异尤为明显且恶化严重, 在本地码环未锁定在线性区域内的情况下, 伪码跟踪情况不理想, 而且通过图3和图4对比发现, 同样工作在IBO=0 d B的情况下, 峰值-平均功率小的情况下, 信号的非线性失真稍小一些。
同时也得到了干扰条件下放大器工作在不同工作点上的测距误差, 如表1所示。
4 结语
强干扰的加入使得信号经过放大器之后的非线性失真更加复杂, 当强干扰包络保持恒定或者峰值-平均功率比接近1时, 信号的非线性失真不太明显;当强干扰包络不恒定或者峰值-平均功率较高时, 信号的非线性失真较为明显, 测距性能恶化。此时应该在功放效率和伪码测距性能之间折中选取, 即在峰值-平均功率较小时, 放大器工作点选择靠近功率饱和点;当峰值-平均功率较大时, 放大器工作点尽量工作在线性区域。
摘要：高功率放大器 (HPA) 作为高精度伪码测距系统中发射链路的重要组成部分, 会将非线性失真引入到信号中, 影响导航信号的测距精度。在干扰信号存在的条件下, 放大器引入的幅频失真和相频失真也更加复杂。通过理论推导和仿真分析, 研究干扰条件下的非线性特性对伪码测距的影响, 给出了放大器工作在不同工作点下的伪码测距误差结果。研究结果对实际工程有一定的参考价值。
关键词：高功率放大器,非线性失真,伪码测距,干扰
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高性能放大器 篇5
一、交流性能指标
电压放大倍数:电压放大倍数是指输出电压与输入电压的有效值 (或峰峰值) 之比, 即:
输入电阻:从放大电路输入端看进去的等效电阻。其定义为输入电压有效值与输入电流有效值之比, 即:
输出电阻:从输出端向放大电路看进去的等效阻抗。其定义为在信号源置零, 负载开路后, 输出端外加电压Uo与在该电压作用下所产生的电流Io之比, 也称为戴维宁等效电阻, 即:
频率特性:包括幅频特性和相频特性。
二、晶体管单级放大电路仿真电路的建立
图1为共发射极放大电路的仿真电路, 共发射极放大电路是一种广泛应用的放大电路, 是分析其他放大电路的基础。首先在该放大电路的输入端节点5加信号Ui后, 在输出端节点8便可得一个与Ui相位相反, 但幅度增大的输信号Uo, 从而实现放大电压的功能。放大电路的性能指标的测量是建立在电路输出不失真的基础上。
三、放大倍数的测量
1. 瞬态分析法测量
Multisim 10.0仿真软件提供的瞬态分析 (Transient Analysis) 是一种非线性时域分析方法, 利用瞬态分析结果可以方便地仿真出电路的输入、输出波形, 测量输入、输出波形的峰值, 利用输入电阻的定义可计算出放大电路的增益。
首先建立如图1所示的电路, 点击S i m u l a t e菜单中的Analysis命令下的Transient Analysis命令, 在弹出的瞬态对话框中, 设置起始时间 (Start time) 为0, 终止时间 (End time) 为0.005S, 在Output Variables标签页中选择输入节点5和输出节点8为分析节点, 单击Simulate按钮, 仿真结果如图2所示, 利用指针读取输入、输出信号波形峰峰值, 则
2. 幅频特性法测量
放大器的幅频特性是指放大器的电压放大倍数AV与输入信号频率f之间的关系曲线, 在图1的输出端8接一个波特图仪即可测量电路的幅频特性[5]。该电路的频率特性如图3所示。设置横轴的刻度取对数刻度, 纵轴的刻度取线性刻度。将游标卡尺移动到频率f=1k处, 即可直接读出电路的放大倍数AV=9.98。
四、输入、输出电阻的测量
1. 电压表电流表直接测量法
电路如图4所示, 在输入输出端分别接入交流模式电流表测量Ii、Ui、UO1 (带负载的输出电压) 和UO2 (不带负载的输出电压) 。
由图4可知, 输入交流电流的有效值Ii=0.521μA, 输入交流电压的有效值Ui=5m V输出电压UO1的有效值为0.045V, 输出电压UO2的有效值为0.087V。
可计算出:
2. 交流分析法
交流分析就是对电路进行交流频率响应分析。分析时Multisim 10.0仿真软件首先对电路进行直流工作点分析, 以建立电路中非线性元件的交流小信号模型。然后对电路进行交流分析, 并且输入信号源都被认为是正弦波信号[6]。
单击Simulate菜单中的Analysis命令下的AC Analysis, 弹出的AC Analysis对话框中, 选择输入节点4的电压V (4) 和电流I (V2) 进行仿真, 设置起始频率为10H z, 扫描终点频率为10G H z, 扫描方式为十倍程扫描, 单击Simulate, 仿真分析结果如图5所示。启动标尺1拖动至频率f=1k处, 从图中读出:Ui=V (4) =1.0000V, Ii=I (V2) =104.0215μA, 则可计算出:
由此可见, 二种分析方法求解的参数基本一致。
五、频率特性的分析
放大电路的频率特性曲线可分为中频段、低频段和高频段。中频段的特性平坦, 增益AV最大。通常分析的频率特性包括上限频率fH、下限频率fL、通频带BW=fH-fL。
1. AC Analysis分析频率特性
仿真结果如图6所示, 由图可以看出该电路的幅频特性和相频特性, 标尺1和2分别对应着上限频率fH和下限频率fL, 由图6 (b) 可以读出
2. 采用波特图仪分析频率特性
在输出端接波特图仪, 激活电路后双击波特仪, 分析结果如图7所示。图7 (a) 表示将测量指针测量下限频率, 图7 (b) 表示将测量指针测量上限频率, 测量结果显示在波特图仪面板的下部。
BW=fH-fL≈3.52MHz, 与前面的AC小信号分析结果基本一致, 实际上波特图仪分析和AC Analysis分析的本质一样, 只是解决问题的方法不同。
六、结束语
通过上面的分析可以看到, 采用仿真的方法求解放大电路的性能指标过程简单, 同时使学生掌握Multisim10.0的多种分析方法和测量工具在电路中的应用, 仿真的方法应该引进到教学的环节中[7,8,9,10], 特别是电子技术课程和实验中, 通过仿真使学生可以了解到电路的运行状态, 采用仿真可以分析实验中出现的各种问题, 同时对电路的设计也有一定的指导作用。
摘要：电压放大倍数、输入和输出电阻、频率特性是交流放大电路中重要的性能指标, 其理论分析和实验测量过程比较繁琐。本文利用Multisim10.0的几种分析方法和虚拟仪器, 提出了多种测量方法, 不仅快捷实现了交流性能指标的测量, 还可以动态观察性能指标随频率的变化规律。将该方法应用于电子技术课程教学, 可以加深学生对放大电路的基本性能指标和放大电路工作原理的理解。
关键词：Multisim 10.0,放大电路,交流性能指标,虚拟仪器
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高性能放大器 篇6
TD-SCDMA是在中国开发的第三代无线标准,由中国最大的无线通信运营商使用。根据TD-SCDMA论坛,将近770万用户(约为全国3G用户的43%)通过TD-SCDMA网络接受服务。
·最新推出两款LDMOS射频功率晶体管
MRF8P20160HSR3晶体管和MRF8P20100HSR3器件均采用飞思卡尔最新的高压第八代(HV8)LDMOS技术,它提供的性能水平位居业界最高行列。两个器件都提供对宽带的固有支持,所以能够在专为TD-SCDMA的运行而分配的两个频带(1 880 MHz～1 920 MHz及2 010 MHz～2 025 MHz)上提供它们的额定性能,这让一个单独的器件能够为两个频带提供服务。
TD-SCDMA基站中的放大器均采用Doherty架构,该架构包含两个放大器,它们共同提供所有的运行条件。这通常要求在载波以及功率放大器的末级功峰值路径中配置单独的RF功率晶体管。然而,飞思卡尔的LDMOS晶体管均采用“双路径”设计,其中,Doherty末级放大器的实施所要求的两个放大器被集成在一个单独的封装内。这将把所需设备的数量减少一半。这些优势,加上高增益、高效率及低功耗,能够降低TD-SCDMA放大器的生产成本、减少所需的组件并降低放大器的复杂度。
MRF8P20160HSR3产品特性
·37 W的平均射频输出功率(P3 dB压缩下的连续波(CW)功率为160 W);
·45.8%的能量转换效率;
·16.5 dB的增益;
·在输入信号峰均比为9.9 dB的状态下测量,ACPR为-30.6 dB(±5 MHz偏移下的通道带宽为3.84 MHz)。
MRF8P20100HSR3产品特性
·20 W的平均射频输出功率(P3 dB压缩下的连续波(CW)功率为126 W);
·44.3%的能量转换效率;
·16 dB的增益;
·在输入信号峰均比为9.9 dB的状态下测量,相邻信道功率比(ACPR)为-33.5 dB(±5 MHz偏移下的通道带宽3.84 MHz)。
两款器件的工作电压均为26 V～32 V,能在32 V直流电源下处理的电压驻波比为10:1,它们在设计上是为了与数字预失真误差校正电路一起使用。它们在内部构造上互相匹配,采用气腔陶瓷封装,也可提供胶带和卷轴式封装。这些器件还包含保护措施,防止在装配线上遇到静电释放影响。静电释放保护也使门电压在-6 V～+10 V之间宽幅波动,从而提高了高效模式(如C级模式)下运行的性能。