放大器是很多設(shè)備中的重要組成部分，相信大家在生活中也看見過(guò)放大器。為增進(jìn)大家對(duì)放大器的認(rèn)識(shí)，本文將對(duì)放大器的原理予以介紹，并探討如何去設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器。如果你對(duì)放大器具有興趣，不妨和小編一起繼續(xù)往下閱讀哦。

一、放大器原理

鎖相放大器實(shí)際上是一個(gè)模擬的傅立葉變換器，鎖相放大器的輸出是一個(gè)直流電壓，正比于是輸入信號(hào)中某一特定頻率(參數(shù)輸入頻率)的信號(hào)幅值。而輸入信號(hào)中的其他頻率成分將不能對(duì)輸出電壓構(gòu)成任何貢獻(xiàn)。

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

如果是一個(gè)1Hz和一個(gè)1.1Hz的信號(hào)相乘，用乘法器相乘得到的結(jié)果是輪廓為正弦的調(diào)制信號(hào)，直流偏量為0。

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

二、如何設(shè)計(jì)放大器

運(yùn)算放大器是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的一個(gè)最通用、最重要的的單元。全差分運(yùn)放是指輸入和輸出都是差分信號(hào)的運(yùn)放, 與普通的單端輸出運(yùn)放相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn): 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(shù)階項(xiàng)比較好等。因此通常高性能的運(yùn)放多采用全差分形式。近年來(lái),全差分運(yùn)放更高的單位增益帶寬頻率及更大的輸出擺幅使得它在高速和低壓電路中的應(yīng)用更加廣泛。隨著日益增加的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率, 高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器需求越來(lái)越廣泛, 而高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要高增益和高單位增益帶寬運(yùn)放來(lái)滿足系統(tǒng)精度和快速建立的需要。速度和精度是模擬電路兩個(gè)最重要的性能指標(biāo),然而,這兩者的要求是互相制約、互為矛盾的。所以同時(shí)滿足這兩方面的要求是困難的。折疊共源共柵技術(shù)可以較成功地解決這一難題, 這種結(jié)構(gòu)的運(yùn)放具有較高的開環(huán)增益及很高的單位增益帶寬。全差分運(yùn)放的缺點(diǎn)是它外部反饋環(huán)的共模環(huán)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。

1.運(yùn)放結(jié)構(gòu)的選擇

運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)重要有三種:(a) 簡(jiǎn)單兩級(jí)運(yùn)放,(b)折疊共源共柵,(c)共源共柵,如圖1 的前級(jí)所示。本次設(shè)計(jì)的運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求差分輸出幅度為±4V, 即輸出端的所有NMOS 管的VDSAT,N 之和小于0.5V,輸出端的所有PMOS 管的VDSAT,P 之和也必須小于0.5V。

2.主運(yùn)放結(jié)構(gòu)

該運(yùn)算放大器存在兩級(jí):(1)Cascode 級(jí)增大直流增益(M1-M8);(2)、共源放大器(M9-M12) 。

3.共模負(fù)反饋

對(duì)于全差分運(yùn)放, 為了穩(wěn)定輸出共模電壓,應(yīng)加入共模負(fù)反饋電路。在設(shè)計(jì)輸出平衡的全差分運(yùn)算放大器的時(shí)候,必須考慮到以下幾點(diǎn):共模負(fù)反饋的開環(huán)直流增益要求足夠大,最好能夠于差分開環(huán)直流增益相當(dāng);共模負(fù)反饋的單位增益帶寬也要求足夠大,最好接近差分單位增益帶寬;為了確保共模負(fù)反饋的穩(wěn)定, 一般情況下要求進(jìn)行共模回路補(bǔ)償;共模信號(hào)監(jiān)測(cè)器要求具有很好的線性特性;共模負(fù)反饋與差模信號(hào)無(wú)關(guān), 即使差模信號(hào)通路是關(guān)斷的。

該運(yùn)算放大采用連續(xù)時(shí)間方式來(lái)實(shí)現(xiàn)共模負(fù)反饋功能。

該結(jié)構(gòu)共用了共模放大器和差模放大器的輸入級(jí)中電流鏡及輸出負(fù)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?yàn)楣材７糯笃鞯妮敵黾?jí)與差模放大器的輸出級(jí)可以完全共用,電容補(bǔ)償電路也一樣。只要差模放大器頻率特性是穩(wěn)定的,則共模負(fù)反饋也是穩(wěn)定的。這種共模負(fù)反饋電路使得全差分運(yùn)算放大器可以像單端輸出的運(yùn)算放大器一樣設(shè)計(jì), 而不用考慮共模負(fù)反饋電路對(duì)全差分放大器的影響。

4.電壓偏置電路:寬擺幅電流

在共源共柵輸入級(jí)中需要三個(gè)電壓偏置,為了使得輸入級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍大一些,寬擺幅電流源來(lái)產(chǎn)生所需要的三個(gè)偏置電壓。

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