E-ME.AC.01F 21 /2 ATOS比例放大器

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     意大利ATOS阿托斯比例放大器是自動(dòng)化技術(shù)工具中處理信號(hào)的重要元件

放大器是能把輸入訊號(hào)的電壓或功率放大的裝置，由電子管或晶體管、電源變壓器和其他電器元件組成。用在通訊、廣播、雷達(dá)、電視、自動(dòng)控制等各種裝置中。

增加信號(hào)幅度或功率的裝置，它是自動(dòng)化技術(shù)工具中處理信號(hào)的重要元件。ATOS放大器的放大作用是用輸入信號(hào)控制能源來實(shí)現(xiàn)的，放大所需功耗由能源提供。對(duì)于線性ATOS放大器，輸出就是輸入信號(hào)的復(fù)現(xiàn)和增強(qiáng)。對(duì)于非線性ATOS放大器，輸出則與輸入信號(hào)成一定函數(shù)關(guān)系。ATOS放大器按所處理信號(hào)物理量分為機(jī)械A(chǔ)TOS放大器、機(jī)電ATOS放大器、電子ATOS放大器、液動(dòng)ATOS放大器和氣動(dòng)ATOS放大器等，其中用得泛的是電子ATOS放大器。隨著射流技術(shù)（見射流元件）的推廣，液動(dòng)或氣動(dòng)ATOS放大器的應(yīng)用也逐漸增多。電子ATOS放大器又按所用有源器件分為真空管ATOS放大器、晶體管ATOS放大器、固體ATOS放大器和磁ATOS放大器，其中又以晶體管ATOS放大器應(yīng)用。在自動(dòng)化儀表中晶體管ATOS放大器常用于信號(hào)的電壓放大和電流放大，主要形式有單端放大和推挽放大。此外，還常用于阻抗匹配、隔離、電流-電壓轉(zhuǎn)換、電荷-電壓轉(zhuǎn)換（如電荷ATOS放大器）以及利用ATOS放大器實(shí)現(xiàn)輸出與輸入之間的一定函數(shù)關(guān)系（如運(yùn)算ATOS放大器）。

原理：高頻功率ATOS放大器用于發(fā)射機(jī)的末級(jí)，作用是將高頻已調(diào)波信號(hào)進(jìn)行功率放大，以滿足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)過天線將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)可以接收到滿意的信號(hào)電平，并且不干擾相鄰信道的通信。

高頻功率ATOS放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率ATOS放大器和寬帶高頻功率ATOS放大器兩種，窄帶高頻功率ATOS放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率ATOS放大器或諧振功率ATOS放大器；寬帶高頻功率ATOS放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調(diào)諧功率ATOS放大器。高頻功率ATOS放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出在 “低頻電子線路”課程中已知，ATOS放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同，將其分為甲、乙、丙三類工作狀態(tài)。甲類ATOS放大器電流的流通角為360o，適用于小信號(hào)低功率放大。乙類ATOS放大器電流的流通角約等于 180o；丙類ATOS放大器電流的流通角則小于180o。乙類和丙類都適用于大功率工作丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高者。高頻功率ATOS放大器大多工作于丙類。但丙類ATOS放大器的電流波形失真太大，因而不能用于低頻功率放大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載的諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然極近于正弦波形，失真很小。

運(yùn)算ATOS放大器是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的一個(gè)、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,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。

運(yùn)放結(jié)構(gòu)的選擇

運(yùn)算ATOS放大器的結(jié)構(gòu)重要有三種:(a) 簡單兩級(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ATOS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。

主運(yùn)放結(jié)構(gòu)

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

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ATOS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)間方式來實(shí)現(xiàn)共模負(fù)反饋功能。

該結(jié)構(gòu)共用了共模ATOS放大器和差模ATOS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ATOS放大器與差模ATOS放大器在交流特性上保持一致。因?yàn)楣材TOS放大器的輸出級(jí)與差模ATOS放大器的輸出級(jí)可以共用,電容補(bǔ)償電路也一樣。只要差模ATOS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ATOS放大器可以像單端輸出的運(yùn)算ATOS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ATOS放大器的影響