有源器件ppt课件.ppt

合作成员：顾银银,胡星,王健健,朱建平,沈来伟,方智奇,有源器件,一.功率放大器二.运算放大器三.低噪声放大器四.混频器五.振荡器,是,主要内容：,1.功率放大器的作用 功率放大器的作用是放大来自前放大器的信号，产生足够的不失真输出功率。,一、功率放大（Power Amplifier）,功率放大器在发射机中的位置,2.功率放大器的现状与用途 固态功率放大器具有工作电压低、尺寸小、效率高、寿命长以及高可靠性等优点，已经十分广泛应用在移动通信、雷达、干扰、识别等射频微波毫米波系统之中，并且占有十分重要的地位。特别是适用于无线移动通信基站的宽带线性功率放大器、手持机中的低电压高效率功率放大器。,3.功率放大器的类型 A类当效率不是最重要的时候，绝大多数小信号线性放大器就设计成A类，即输出级元件总是处于导通区。A类放大器一般比其它类型线性度更好，也较为简单，但效率非常低。理论值不超过50%。A类放大器,B类与AB类在B类中，有两个组输出器件分别放大正负半周，每一个都精确地在输入信号的180度或半周期时交互导通。AB类放大器在A类与B类的一种折衷，它改善了小信号输出的线性度，具有较高的效率，通常用于低频放大器中。或者也用于其它线性度和效率都很重要的设计。,B类放大器,B类推挽式放大器,C类常称为高功率射频（RF）放大器（C类）设计成在输入信号不足180时导通。线性度不好，但是对于单个频率功率放大器来说这并不重要。信号由调谐电路还原为近似正弦形状，同时效率比A类、AB类或者B类放大器都高很多。,C类放大器,D类该类放大器使用开关来达到很高的功耗效率（在现代设计中大于90%）。通过允许每个输出器件完全导通或关断，能量损失达到最小化。半导体器件的进展已经使开发高保真、全声音频带D类放大器的开展成为可能，使得它们的信噪比和失真度与其它线性器件相近。,E类放大器,G类放大器,4.发展历程,1)1948年,Shockley、Bardeen和Britain等人发明双极晶体管(BJT);2)1952年提出了结型场效应管(JFET);3)70年代以后，GaAs单晶及其外延技术获得突破，砷化镓金属半导体场效应晶体管(GaAs MESFET)研制成功。,4)80年代，由于分子束外延技术(MBE)和金属有机化学气相淀积(MOCVD)技术的进展，超薄外延层的厚度及杂质浓度得到精确控制，使异质结器件迅速发展;5)90年代，基于新电气结构的多种新型固态功率器件相继出现，如高电子迁移管(HEMT)，以及赝晶高电子迁移率晶体管(PHEMT)，异质结场效应管(HFET)，同时用了多种新材料如InP、SiC、SiGe及GaN等.,二、运算放大器(Operational Amplifier,1.运算放大器的简介,运算放大器是可以对电信号进行运算，一般具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的放大器。运算放大器最早被设计出来的目的是用来进行加，减，微分，积分的模擬数学运算，因此被称为“运算放大器”。同时它也成为实现模拟计算机（analog computer）的基本建构单元。,2.运算放大器的参数和分类,1）参数：主要有低频增益、单位增益频率、功耗、输出摆幅、共模抑制比、电源抑制比、共模输入范围、电压摆动率、输入偏移电压、还有噪声等。2）分类：按工作原理分：电压放大型、电流放大型、跨导型和互阻型。按性能指标分：高阻型、高速型、高精度型和低耗型。,3.集成运放的发展概况,第一代产品基本沿用了分立元件放大电路的设计思想，采用集成数字电路的制造工艺，利用了少量横向PNP管，构成以电流源做偏置电路的三级直接耦合放大电路。第二代产品普遍采用了有源负载，简化了电路的设计，并使开环增益有了显著提高，各方面性能指标比较均衡，属于通用型运放。第三代产品的输入级采用了超管，值高达10005000倍，而且版图设计上考虑了热效应的影响，从而减小了失调电压、失调电流以及他们的温漂，增大了共模抑制比和输入电阻。第四代产品采用了斩波稳零和动态稳零技术，使各性能指标参数更加理想化。,ST(意法半导体)的运放产品,LF147 WIDE BANDWIDTH QUAD J-FET OPERATIONAL AMPLIFIERSLOW POWER CONSUMPTIONWIDE COMMON-MODE(UP TO VCC+)AND DIFFERENTIAL VOLTAGE RANGELOW INPUT BIAS AND OFFSET CURRENTHIGH INPUT IMPEDANCE JFET INPUT STAGEINTERNAL FREQUENCY COMPENSATION,三、低噪声放大器（low noise amplifier）,1、晶体管的自身噪声分类：1）闪烁噪声，其功率谱密度随频率f的降低而增加，因此也叫作1/f噪声或低频噪声。2）基极电阻的热噪声和。3）散粒噪声,这两种噪声的功率谱密度基本上与频率无关。4）分配噪声，其强度与f的平方成正比，当f高于晶体管的截止频率时,这种噪声急剧增加。图1是晶体管噪声系数F随频率变化的曲线。,2、低噪声放大器的用途：用于各类无线电接收机的高频或中频前置放大 器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。3、噪声系数（F）：理想放大器的噪声系数 F=1（0分贝），其物理意义是输出信噪比等于输入信噪比。,LNA产品,四、混频器（Mixer）,三端口器件（单通道）理想的混频器输出信号由两个输入信号的合频与差频组成 该器件能通过频率相乘达到变换频率的功能，上变频和下变频,下变频混频器原理图,1、混频器基本性能指标,线性度：通常用输入三阶互调点IIP3、输出三阶互调点OIP3、1dB增益压缩点这三个参数来衡量变频损耗/增益：常用电压转换增益来表征 噪声系数(NF)：常用信噪比（SNR-Signal Noise Ratio）来定义：输出信噪比与输入信噪比的比值隔离度：隔离度的定义是两个端口间信号的衰减度，单位是dB（LO-RF的馈通会导致LNA、天线LO漏损、恶化IIP2性能；RF-LO馈通会导致RF路径中的强干扰与本地振荡器影响；LO-IF和RF-IF馈通会影响中频输出。因为LO的幅度通常很大，于是LO-RF和LO-IF馈通被广泛关注）阻抗匹配：输入和输出阻抗匹配通常用史密斯圆图来表示,1dB增益压缩点示意图,电压转换增益：,噪声系数：,2、有源混频器基本结构,单平衡 优点：宽带应用、较好的噪声抑制、反向配置使噪声在很大程度上抵消、本振与射频本振与中频有较好的相互隔离 缺点：射频信号与中频信号之间没有隔离。常常需要额外的在每个晶体管的输出匹配网络内部增加一个低通滤波器双平衡（现在常用双平衡CMOS-Gilbert混频器）优点：新增的二极管可以改善隔离度、增强对寄生模式的抑制。与单平衡混频器不同的是，双平衡混频器可以消去本振信号和射频信号中的所有偶次谐波。信号通道是相互隔离的，输入输出变压器可实现射频信号与本振信号的均匀混频 缺点：需要相当大的本振功率、有较大的变频损耗（也即变频增益低）,单平衡MOS-Gilbert混频器,双平衡MOS-Gilbert混频器,3、有源混频器和无源混频器的比较,有源混频器在宽带性能方面表现优秀，无杂散动态范围却表现一般无源混频器无杂散动态范围性能优秀，但是工作带宽却不如有源混频器因此工程师必须折中考虑线性度、噪声和带宽三个性能指标，牺牲某个来成就另外的。而混频器制造商也在不断地改进混频器结构使三个指标尽可能地集中在一个器件上,几种典型的混频器拓扑性能对比,4、混频器的指标及提高技术,线性度：通过逐段逼近加大跨导的线性从而提高整个系统的线性度下限。源级退化技术提高混频器最大输入电压范围，实现增加线性度。用前馈差分对结构来做跨导级电路可以充分减小三阶互调失真，提高线性度。转换增益：输入端采用多组跨导并联提高跨导从而提高转换增益。采用高摆幅负载和有源负载技术提高负载进而提高转换增益。,5、混频器的国内外研究热点,对于0.13微米尺寸CMOS工艺混频器设计超宽带应用的混频器研制极小功率极小尺寸的混频器的研究可变转换增益混频器的研究片上巴伦的深入应用噪声抑制技术的研究面向特殊应用的专用混频器的研制,混频器 几家器件（包括混频器）制造商,ADI产品ADL5811(单通道)和ADL5812（双通道）集成了一个宽带LO放大器，一个可编程RF巴伦，一个高线性度混频器内核，一个可编程的IF滤波器，为设计多频段、单板接收机提供了可能。实现了较好的高线性度、低噪声、宽带的结合。,五、振荡器（oscillator）1、定义：振荡器是一种能量转换装置不需要外信号激励，将直流电能转换为具有一定频率的交流电能。,2、振荡器的种类,按振荡激励方式分有：自激振荡器、他激振荡器；按电路结构分有：阻容振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器；按输出波形分有：正弦波、方波、锯齿波振荡器。,三极管放大器 正反馈网络 选频网络,3、振荡器最基本组成部分,4、振荡器起振及稳定的条件,1)以反馈式为例：起振条件：i)在相位上：反馈电压Uf与输入电压Ui同相；ii）在幅值上：UfUi；稳定条件：i）振幅稳定条件：AF与Ui的变化方向相反。Ii）相位稳定条件：相位与频率的变化方向相反,2)以负阻振荡器为例：i)起振条件为：GDGL BD=BL ii)振荡平衡条件为：GD=GL BD=BL,5、振荡器的应用,振荡器广泛用于电子工业、医疗、科研等方面；主要适用于各大中院校、医疗、石油化工、卫生防疫、环境监测等科研部门作生物、生化、细胞、菌种等各种液态、固态化合物的振荡培养。,是,6、生产晶体振荡器，TXCO之类的欧美公司,1、SITIME；2、锐康晶体，公司是新西兰的，是在石英晶体振荡器的应用和开发方面具有世界领先水平和市场主导地位的一家跨国公司，公司已经成为生产全球定位系统石英晶体振荡器的领头羊；3、Fox Electronics 全球领先的频率控制解决方案供应商，Fox在美国晶体振荡器供应商调查中名列榜首；4、美国ECS；5、德国QuarzTechnik；6、美国CMACOSC；7、日本的KDS 等。,生产晶体振荡器，TXCO（温度补偿晶振）之类的欧美公司,1、SITIME；2、锐康晶体，公司是新西兰的，是在石英晶体振荡器的应用和开发方面具有世界领先水平和市场主导地位的一家跨国公司，公司已经成为生产全球定位系统石英晶体振荡器的领头羊；3、Fox Electronics 全球领先的频率控制解决方案供应商，Fox在美国晶体振荡器供应商调查中名列榜首；4、美国ECS；5、德国QuarzTechnik；6、美国CMACOSC；7、日本的KDS 等。,谢谢观看！,