精选激光再生放大器Spitfire doc资料.docx

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精选激光再生放大器Spitfiredoc资料

激光再生放大器SpitfirePro

型号：

SpitfireProXP

购入时间：

2021.11

价格：

制造厂家：

Spectra-Physics公司

安置地点：

新校区G403室

所在单位：

理学院物理系

所在地址：

上海上大路99号

：

马国宏

联系：

仪器简介：

激光再生放大器SpitfireProXP是Spectra-Physics公司生产的kHz级别的钛宝石再生放大器系统。

它能将种子光的单脉冲能量提高1000倍左右，用来研究光与物质的超快相互作用。

目前主要研究电子自旋动力学过程和太赫兹的产生。

技术性能指标：

波长：

800nm

重复频率：

1kHz

脉冲宽度：

<119fs

输出功率：

电流时4W

电流

合作项目面议

E类射频功率放大器分析

佚名  来源：

嵌入式公社  发布时间：

2010-7-8

1引言

作为发射器的最后一级，功率放大器供给负载所需要的、额定的不失真功率以控制负载工作，使得信号通过天线发送出去，同时减少误码。

它不要求最大的功率放大倍数，而是要求获得最大的、不失真（或者失真但合乎要求）的输出功率。

由于移动通信的普及，提高的功率效率、降低电源消耗、减小体积重量、延长通话时间成为开发移动急需解决的技术问题。

在系统的功耗中发射机占了绝大部分，其末级的功率放大器又是最关键的部件，存在着较大的功率损耗。

对于不同类型的发射机，末级功率放大器占整个系统功耗的60%～90%，制约了系统性能。

因此，需要设计一种高效率功放，这对于常规的电子设备，例如中继通信站等，提高效率，降低电源损耗、降低维护成本也有重要的意义。

本文研究了一个用0.6μmCMOS工艺实现的功率放大器，E型功率放大器具有很高的效率，它工作在开关状态，电路结构简单，理想功率效率为100%，适应于恒包络信号的放大，例如FM和GMSK等通信系统。

2工作原理

下面用图1所示的原理图进行说明E型功率放大器的工作机理。

当输入电压Vin大于开启电压时，晶体管工作在可变电阻区，漏源之间有很小的电阻，假设为ron，这相当于开关闭合；如果输入电压Vin小于开启电压时，MOS管处于截至状态，没有电流流过漏级，这相当开关断开，因此电路原型可以用图2所示的模型表示，电容C为MOS管的结电容或者外接电容。

当开关闭合时，如图3所示，有Vdd-Vd=L（dIL/dt），由于ron很小，所以Vd很小，近似为零。

所以Vdd≈L（dIL/dt），解之得到：

lL≈（Vdd/L）t+IL0，IL0是电感电流的初始值，可以看出当开关闭合后电流随时间线性增长。

在开关闭合时，如果电容不能充分放电，就要损耗1/2×CVd2的能量，所以电容必须能够在输入电压变化的瞬间充分放电，也即当dVd/dt=0时，Vd=0。

一个信号由无数个谐波分量组成，利用L1和C1组成的滤波器从Vd的各次谐波中选择等于输入电压频率的基波分量，这也就对信号进行了相位或者频率的调制，在功率放大以后传送到负载上。

电路中的参数随输入变化的关系如图5所示。

由于ron很小，所以在开关闭合的时候，ron上的电压远远小于电源电压Vdd，它不会显著地影响输出回路中的电流，因此负载的输出功率基本上不受晶体管特性的影响。

电路中每个节点的电压值都和电源的电压成正比，所以传送到负载上的功率也就和Vdd2成正比，同样ron消耗的功率也和Vdd2成正比，所以效率η=PRL/（Pron+PRL）在一定的范围内为一定值，同时通过调整电压可以保证一定的输出功率。

3存在的问题及解决措施

虽然图1所示的电路在形式上简单，但是本身带有很多的问题。

例如，作为开关使用的晶体管工作在可变电阻区，由于本身固有电阻ron的存在，Ids=β[（Vgs-VT）Vds-（Vds2/2）]，0＜Vds＜Vgs-VT，Ids为漏极电流，Vgs是栅源电压，VT是器件的开启电压，β是MOS晶体管的跨导系数。

其中β=（με/tox）（W/L）；μ为沟道中电子的有效表面迁移率；ε是栅绝缘层的介电常数；tox是栅绝缘层的厚度；W是沟道宽度；L是沟道长度。

为了减少电阻ron的损耗，它的宽长比要尽量的大。

晶体管的输入电容C=εWL/tox一般都是通过感性负载耦合掉，超过一定的宽长比后，需要耦合的电感值就会太小，很难用CMOS工艺精确实现，而且大的栅漏电容Cgd会引起输出端到输入端的强反馈，这导致了输入和输出之间的耦合。

最后，单端输出电路每个周期都要向地或者硅衬底泄放一次大的电流，这可能会引起衬底耦合电流的频率和输入、输出信号的频率相同，从而在输出端产生了错误的信号?

3.1差分结构

采用如图6的差分结构可以解决衬底耦合的影响。

在差分结构中，输入端为差模电压。

任意时刻，一个晶体管导通工作在可变电阻区，另一个工作在截止区，所以电流在一个周期中泄放到地或者衬底两次，由此而引起的耦合电流的频率为信号频率的两倍，这就消除了衬底耦合对信号的干扰。

在同样的电源电压和输出功率条件下，Vd+只需为单端电压的1/2，因此通过差分结构中的每个晶体管的电流要比单端的小得多，所以在不增加开关消耗全部功率条件下，可以使用尺寸较小的开关晶体管。

3.2交叉耦合结构

为了减小由于电阻ron引起的损耗，引入了如图7所示的交叉耦合反馈结构。

交叉耦合反馈使得晶体管可以在尽量短的时间内完成"开"和"关"状态的变化，功能如图8所示。

假设Vin+为正的高电压、Vin-为负电压，Vin+高于开启电压VT，M1工作在可变电阻区，所以Vd+的电压为零点几伏，接近零；由于Vin-低于M4的开启电压，M4截止，Vd+作为M3的输入电压，其数值小于M3的开启电压，M3截止，因此加速了M4进入截止区；同时由于Vd-的电压接近于Vdd，Vd-作为M2的输入电压使得M2导通，这同样加速了晶体管M1进入深饱和。

Vin+为负电压，Vin-为正的高电压的情形类似。

4电路实例

4.1电路分析

图9是电路实例。

为了增大功率增益采用了二级放大结构，M1,M4分别和M5,M8组成第一、二级差分结构；M2,M3分别和M6,M7组成相应的第一、二级交叉耦合正反馈；L1,L2,L3,L4为激励电感；L5,L6,C1组成谐振与信号频率的谐振电路；RL为负载电阻。

4.2参数选择

本电路采用的是0.6μm工艺。

M1,M2,M3,M4：

W=1680μm，L=0.6μm；M5,M8：

W=6172μm，L=0.6μm；M6,M7：

W=8230μm，L=0.6μm。

L1,L2,L3,L4为0.37nH；L5,L6为0.8nH；C1=5.1pF；RL=50W。

4.3模拟结果

PSPICE上模拟得到：

在1.75GHz，Vdd=1.5V时，效率为70%，附加功率增益为45%，增益为10，带宽为560MHz。

其结果由图10，图11，图12示出。

5结论

根据理论分析和模拟结果知道，采用差分和交叉耦合反馈的结构可以提高E类放大器的效率，同时保证了一定功率增益和带宽。

在集成电路中高Q的电感有很重要的作用，所以最好在芯片上做成螺旋电感，确保电路中的电感值为最优值。

集成运算放大器的参数

为了表征集成运算放大器在使用时的各种性能，定出了很多特性参数，主要分为静态参数和动态参数，也分别称为直流参数和交流参数。

（ 1）开环差模电压增益AUD

开环差模电压增益简称开环增益，它是指运算放大器在没有外加反馈环路且工作在低频时的电压增益，即

一个理想的运算放大器，其开环增益应为无穷大。

但运算放大器很少开环使用，一般都要加反馈电路，因此该参数主要用来说明运算精度。

AUD越大，越稳定，运算精度也就越高。

（2）输入失调电压U10

理想的运算放大器，当输入电压V+=V-=0时，输出电压Vo=0。

但对于实际的运算放大器，由于种种原因，当V+=V-=0时，Vo!

=0。

反过来讲，如果要想使Vo=0，则必须在输入端加上一个很小的补偿电压U10这个电压就称为输入失调电压。

显然，这个电压越小，表示运算放大器的性能越好。

（3）输入失调电压温度系数αU10

在一定温度范围内，输入失调电压的变化量与温度变化量的比值定义为输入失调电压的温度系数，一般表示为

通用型运算放大器的输入失调电压温度系数αU10为±（10-20）μV/℃;高精度运算放大器约为±1μV/℃。

（4）输入失调电流I10

当运算放大器直流输出为零时，两输入端输入偏置电流之差称为输入失调电流。

它一般为零点儿微安至几微安。

（5）输入偏置电流IIB

当运算放大器直流输出为零时，两个输入端静态偏置电流的平均值称为输入偏置电流，即

双极型三极管作为输入级的集成运算放大器的输入偏置电流IIB为10nA-10μA;场效应三极管作为输入级的集成运算放大器的输入偏置电流IIB一般小于1nA。

（6）共模抑制比KCMR

理想的运算放大器，对于共模输入电压不会产生输出电压，就是说，只要U+=U-，Uo=0。

但实际上，同相输入端和反相输入端的电压不可能完全相同，因此也就不能完全抵消共模输入电压。

如果以UjCM为共模输入电压，且UiCM=U+ = U-;而输出电压为UoCM则共模电压增益为

（7）最大输出电压Uopp

最大输出电压是指在一定的负载和l非线性条件下，集成运算放大器输出的最大电压幅度。

（8）最大共模输入电压UICM

如果不断增加运算放大器输入端的共模电压，直到运算放大器的共模抑制比显著变坏为止，这个共模输入电压即为最大共模输入电压。

（9）最大差模输入电压UIDM

如果不断增加运算放大器输入端的差模电压，直到运算放大器中有三极管退出线性区为止，这个输入的差模电压即为最大差模输入电压。

2.交流参数

（1）开环带宽BW

当工作频率增加时，集成运算放大器的开环电压增益从直流增益下降3dB时所对应的信号频率称为开环带宽。

由于开环增益测量比较困难.往往采用单位增益带宽。

（2）单位增益带宽BWG（GB）

单位增益带宽是指运算放大器闭环增益为1倍的条件下，用正弦小信号驱动时，其闭环增益下降至0.707倍时的频率。

（3）电压转换率SR

在额定的负载条件下，当输入阶跃大信号时，集成运算放大器输出电压的最大变换效率即为电压转换率，也称压摆率。

（4）等效输入噪声UN

等效输入噪声是指当运算放大器的输入端短路时，将产生于输出端的噪声折算到输入端的等效电压值。