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限幅放大器

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限幅放大器用作數據量化器。能夠接受較寬的輸入電壓範圍,提供邊沿速度受控的、幅度固定的正發射極耦合邏輯輸出電平。具有集成的功率檢測功能,用來指示輸入功率何時跌落到低於編程門限值。
中文名
限幅放大器
外文名
clipper amplifier limiting amplifier
應用方面
數字傳輸系統
基本原理
除去過高或過低電壓信號
特    點
同時抑制慢速和快速的幅度變化
工藝應用
五級限幅放大器

限幅放大器介紹

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限幅放大器是數字傳輸系統中常用的放大器。ECL或SCFL電流放大器的非線性特性用於實現限幅功能。限幅放大器的工作原理是:當放大器的輸入信號幅度超過一定的電平時,放大器進入非線性工作區域,輸出信號幅度達到限幅狀態。下面分別討論雙極性硅BJT和MOSFET所組成的放大器電路的限幅原理。 [1] 

限幅放大器原理

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限幅放大器 限幅放大器
限幅放大器電路原理:去除過高或過低的電壓信號,保護電路不因為太高或太低的電壓,造成電路工作不正常。利用二極管限幅,是集成電路設計中常用來保護電路的方法。限幅器採用的方法,可利用二極管的壓降, 三極管集電極電流截止與飽和或者差動放大器限制電流以及二極管正反向的電阻變化等方法。
限幅放大器的作用是對輸入的FM或FSK信號限幅放大,消除FM或FSK波中的振幅干擾,抑制寄生調幅,使進入相位比較器PD的信號為等幅調頻波。
限幅放大器由T1~T5構成。其中T1、T5為肖特基橫向PNP管構成單端輸入差分射極跟隨輸入級。T5的基極由二極管D1、D2正向壓降(約1 V)提供穩定偏壓,外信號從6腳輸入到T1基極·即使振幅為o~5 V的TTI,電平信號輸入時,T1、T5也不會出現飽和現象。外信號經T1、T5的射極送到T2、T3的基極。T2、T3和恆流源管T4、肖特基二極管D1、D2組成恆流源差分限幅放大電路。限幅電平取決於D1、D2正向導通壓降,約0.3~0.4 V之間。限幅放大器實為單端輸入雙端輸出恆流源差分電路。 [2] 

限幅放大器功能

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限幅放大器電路功能是輸入信號較小時,限幅放大器處於線性放大工作狀態,輸出跟隨輸入線性變化;當輸入信號達到某一電平時,輸出將不隨輸入信號的增加而變化,而維持在一定值上,即處於限幅工作狀態。常用於信號整形。過電壓保護等。
在軌道運輸方面限幅放大器是由雙向限幅器、前級放大器和開關觸發器三部分單元所構成。它擔負着下列功能:
1.軌道電路是一種衰耗量變化很大的通道,因此在限放輸入端的信號電平變化很大,這就要求限幅放大器能適應信號電平這種大幅度的變化。
2.軌道電路道牀電阻為最小的情況下,接收端信號電壓較小,它不足以直接動作解調器(鑑頻器),而必須將信號進行放大,並滿足放大量的要求。
3.為了滿足軌道電路長度的要求,必須要有一定的返還係數。
4.由於鑑頻器的輸出電壓,隨輸入電壓的變化而變化,因而造成選頻放大器的通帶不穩定。為了解決這個問題,在鑑頻器的前面必須設一個限幅器,以滿足接收設備輸入信號變化的情況下,鑑頻器輸出電壓保持恆定不變的要求。在上述四種功能中,第一個功能是由雙向限幅器來完成,第二個功能是由前級放大器來完成,而第三和第四個功能是由開關觸發器來完成。 [3] 

限幅放大器特點

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限幅放大器是數字傳輸系統中另一種類型的主放大器。限幅放大器的基本結構包括一組差分放大單元和一個直流反饋網絡。ECL或SCFL電流放大器的非線性用於實現限幅功能。
與增益控制放大器相比,限幅放大器的限幅功能直接作用於每個單一脈衝。換句話説,限幅放大器能同時抑制慢速和快速的幅度變化。與自動增益控制放大器不同的是限幅放大器中不存在時間常數問題。基於這個觀點,就抑制信號的幅度起伏而言,限幅放大器的功能更強。不僅如此,限幅放大器還具有以下優點:
1)基本單元的簡化使得寄生參數減少,加上高電流增益和非線性結構的聯合運用使限幅電路的工作速率更高。
2)由於減去了用於控制的邏輯電平,因而供電電壓更小、功率損耗也更小。
3)由於基本單元電路更簡單且不需要增益控制環,因而芯片設計更簡單、芯片面積也更小。
4)由於外部元件更少,因而注入更簡單。 [4] 

限幅放大器工藝技術

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14.11-14.15
14.11-14.15(5張)
圖14.11給出了用0.3μmHEMT工藝實現的五級限幅放大器的框圖14.13。圖14.11給出了五級限幅放大器集成電路的芯片縮微照片。圖14.13給出了限幅放大器的小信號增益和靈敏度隨頻率變化的曲線。從圖中可以看出,低頻範圍內其小信號增益高於40dB大約從5GHz處開始下降。由於高增益和直接耦合,輸入端的小電壓偏移即會引起輸出級進入飽和狀態。圖14.11所示的直流反饋網絡用於使電路穩定。
作為限幅放大器,其大信號增益最讓人感興趣。大信號增益可以通過給定不同的輸入信號電平,測量電路在不同的比特率或頻率下的特性來獲得。圖14·14給出了輸入電壓為100mV時增益隨頻率變化的曲線。此時增益為17dB,-3dB帶寬為17GHz。
限幅放大器的動態性能最終由眼圖決定。圖14.15給出了五級限幅放大器的眼圖。根據可用的脈衝發生器可在三種測試條件下獲得眼圖:a)在K端施加10Gb/s的數字信號,在K端施加一直流電壓,b)在Vi端施加-20Gb/s數字信號,在
端施加-10GHz的正弦信號,c)在K端施加-17GHz的正弦信號,在Vi端施加一直流電壓。從這些眼圖中可以看出20Gb/s時眼圖完全張開。
17GHz時幅度減小3dB。根據以上測量結果,限幅放大器有望獲得比特率超過30Gb/s時增益超過15dB的性能。
需要提及的是這三種限幅放大器都採取了某些措施以提高其工作速率。其中第一和第三種運用了高頻補償,第二種運用了雙極Sherry—Hooper結構。為了解決偏移問題,前兩種限幅放大器運用了一種相似的直流反饋網絡。第一種由於運用HEMT,其工作比特率最高、芯片面積最小且功率損耗最小。所有這些都是通過運用有源負載(耗盡型HEMT)、動態限幅電路及改進的工藝來獲得的。 [4] 
參考資料
  • 1.    王志功.沈永朝.集成電路設計基礎:電子工業出版社,2004:238
  • 2.    吳運昌.模擬集成電路原理與應用:華南理工大學出版社,1995:183-184
  • 3.    羅海濤.移頻自動閉塞:中國鐵道出版社,1983:79
  • 4.    王志功.光纖通信集成電路設計:高等教育出版社,2003:307-310