可变增益放大器软件设计 文献综述.doc

放大器的发展历程及趋势 电信05-1 周燕 200501030150文献综述 题 目 可变增益放大器文献综述学生姓名 周 燕 专业班级 电子信息工程05-1 学 号 200501030150 院 （系） 电气信息工程学院 指导教师 王 新 金 完成时间 2009年 06月 05日 1放大器的发展历程及趋势可变增益放大器文献综述1 绪论几乎现阶段每个完整的电子产品中都离不开放大器,而放大器性能的提高对电子产品的功能起着重要的决定作用，说不清是放大器的发展决定了电子产品的发展进程还是电子产品的发展需求推动了放大器的发展空间。程控放大器使用方便、性能好，故可在数据采集系统、自动增益控制、动态范围扩展、远程仪表测试等方面使用尤为适宜，程控增益调整比手工调整更优越。在使用放大器的场合中，往往希望增益能够调整，以使波形显示更完美，数据采集更精确。而程控增益调整比手工调整更优越，因此程控增益放大器得到广泛应用。2 放大器的发展历程放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了长足的进步。音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。 1906年美国人德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。1927年贝尔实验室发明了负反馈技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如威廉逊放大器，较成功地运用了负反馈技术，使放大器的失真度大大降低，至50年代电子管放大器的发展达到了一个高潮时期，各种电子管放大器层出不穷。由于电子管放大器音色甜美、圆润，至今仍为发烧友所偏爱。 60年代晶体管的出现，使广大音响爱好者进入了一个更为广阔的音响天地。晶体管放大器具有细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点。 在60年代初，美国首先推出音响技术中的新成员-集成电路，到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。发展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。 70年代的中期，日本生产出第一只场效应功率管。由于场效应功率管同时具有电子管纯厚、甜美的音色，以及动态范围达90dB、THD0.01%（100kHz时）的特点，很快在音响界流行。现今的许多放大器中都采用了场效应管作为末级输出。 80年代,数字功放成为了新一代的宠儿.3 我国放大器的发展现状新应用对运放提出诸如高速、低功耗、高集成度等新的技术要求。为此,设计人员不断探索新的设计方法,但只从设计着手不足以实现具有竞争力的产品,只有配合适当的制造工艺和封装技术才能将不断优化产品性能,适应新的应用需求。 目前运放产品主要采用CMOS、双极、BiCMOS等工艺制造。许多运算放大器系列都提供单通道、双通道和四通道三种封装形式,从而为设计提供了最大的灵活性。各种新型封装的电路板占位面积正在日益缩小。单通道运算放大器可采用SOT23封装以及结构相似但外形更加小巧的SC70封装,双通道器件有SOT23-8封装,采用WCSP芯片级封装的运算放大器的占位面积更小。此外,领先半导体厂商还在不断研发新的工艺和封装技术以进一步提升运放产品的性能。 设计人员一直在寻求更好的性能,对于电池驱动系统,这通常表现在低功耗方面;而在工业、医疗和感测应用领域,精度和噪声性能又成为关键指标,在某些情况下这就驱使采用更小的几何工艺。 对于蜂窝电话和便携式多媒体应用,要求放大器具有小巧的物理尺寸;兼容低电压;待机状态下具有最低的功耗;抑制电源噪声,尤其对蜂窝电话而言;具有高效率,能提高电池使用寿命。这些特性上的要求需要采用先进的亚微米CMOS 或 BiCMOS工艺技术(0.5m to 0.18m)以及先进的封装技术,例如倒装芯片。 而对于DVD和其他视频应用,带有非常平直的30MHz带宽的高速放大器可用于高清数字电视;在视频放大器中集成重构的滤波器,可以滤除来自视频数模转换器的噪声;多输入/输出视频放大器支持不同格式的视频信号,这就需要采用双极或BiCMOS工艺技术。 对DSL应用而言,快速、高电压处理很关键。目前TI正以新的工艺技术拓展在该领域的能力以满足未来的需要。TI已推出高输出电流、高增益带宽的双运算放大器OPA2614。该器件具有低输入电压噪声和低谐波失真等特性,可为差动配置的DSL驱动器解决方案提供高动态范围。 4 放大器分类按功放中功放管的导电方式不同，可以分为甲类功放（又称A类）、乙类功放（又称B类）、甲乙类功放（又称AB类）和丁类功放（又称D类）。 甲类功放是指在信号的整个周期内（正弦波的正负两个半周），放大器的任何功率输出元件都不会出现电流截止（即停止输出）的一类放大器。甲类放大器工作时会产生高热，效率很低，但固有的优点是不存在交越失真。单端放大器都是甲类工作方式，推挽放大器可以是甲类，也可以是乙类或甲乙类。 乙类功放是指正弦信号的正负两个半周分别由推挽输出级的两“臂”轮流放大输出的一类放大器，每一“臂”的导电时间为信号的半个周期。乙类放大器的优点是效率高，缺点是会产生交越失真。 甲乙类功放界于甲类和乙类之间，推挽放大的每一个“臂”导通时间大于信号的半个周期而小于一个周期。甲乙类放大有效解决了乙类放大器的交越失真问题，效率又比甲类放大器高，因此获得了极为广泛的应用。 丁类功放也称数字式放大器，利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号，具有效率高，体积小的优点。许多功率高达1000W的丁类放大器，体积只不过像VHS录像带那么大。这类放大器不适宜于用作宽频带的放大器，但在有源超低音音箱中有较多的应用。 按功放输出级放大元件的数量，可以分为单端放大器和推挽放大器。 单端放大器的输出级由一只放大元件（或多只元件但并联成一组）完成对信号正负两个半周的放大。单端放大机器只能采取甲类工作状态。 推挽放大器的输出级有两个“臂”（两组放大元件），一个“臂”的电流增加时，另一个“臂”的电流则减小，二者的状态轮流转换。对负载而言，好象是一个“臂”在推，一个“臂”在拉，共同完成电流输出任务。尽管甲类放大器可以采用推挽式放大，但更常见的是用推挽放大构成乙类或甲乙类放大器。 按功能不同，可以前置放大器（又称前级）、功率放大器（又称后级）与合并式放大器。 功率放大器简称功放，用于增强信号功率以驱动音箱发声的一种电子装置。不带信号源选择、音量控制等附属功能的功率放大器称为后级。 前置放大器是功放之前的预放大和控制部分，用于增强信号的电压幅度，提供输入信号选择，音调调整和音量控制等功能。前置放大器也称为前级。 将前置放大和功率放大两部分安装在同一个机箱内的放大器称为合并式放大器，我们家中常见的功放机一般都是合并式的。 按用途不同，可以分为AV功放，Hi-Fi功放。 AV功放是专门为家庭影院用途而设计的放大器，一般都具备4个以上的声道数以及环绕声解码功能，且带有一个显示屏。该类功放以真实营造影片环境声效让观众体验影院效果为主要目的。 Hi-Fi功放是为高保真地重现音乐的本来面目而设计的放大器，一般为两声道设计，且没有显示屏。5 放大器的发展趋势未来放大器市场增长的驱动力主要有三方面：其一,便携式应用的低功耗要求将推动具有低操作电源电压/电流的放大器增长;其二,高分辨率应用需要能降低噪声和失真度的放大器;其三,由于性能和价格压力持续上扬,因此能够集成其他功能的放大器前景乐观。测试和测量、通信、医疗影像等领域的先进应用是提升放大器性能的主要驱动力;DSL和消费类视频应用是最大的市场,而且未来将继续此趋势。其中,DSL运放的增长点主要在于线路驱动器。而整合了滤波、多路技术以及DC恢复等功能的消费类视频放大器也被看好。从应用的角度讲,不同的系统对运放有不同要求,选择合适的运放对于系统设计至关重要。对于通信、高速测量仪表及超声波设备等高速应用,交流特性极为重要。但对于低速的高精度系统,直流方面的特性则通常更为重要。衡量系统在交流特性方面的参数有信号带宽、失真率、噪声等;而衡量系统在直流特性方面的参数有输入补偿电压、开环增益、输入偏置电流及共模抑制比等。 5.1 通信和视频应用使高速运放成为焦点 高速运放泛指频宽高于50MHz的运放,而现在为了与信号链后端组件(例如高速ADC或处理器)的需求相匹配,运放的频宽记录已突破GHz。这主要源于后端组件的效能近年来显著提升,因而位居信号链前端的运放为了与后端组件相匹配,以避免拖累信号链的整体效能表现,于是开始向高速化发展,未来高速运放可能跃升为主流运放产品。总体而言,高速运放主要应用在xDSL调制解调器、机顶盒以及视频系统中,或是担任高速ADC的前级信号调整角色。这类运放对于信噪比和失真度的要求最为严格,因此半导体厂商在设计这种运放时,普遍采用差动输出的形式。 与传统采用“二入一出”架构的运放相比,“二进二出”的差动输出由于同时输出两个反相的信号,因此系统工程师可以通过两个信号的比较得知输出信号在未受噪声或失真影响前的波形,从而使设计工程师可以及时解决信号链上可能出现的问题。 5.2 便携式应用催生低电压/低功耗运算放大器 随着手机、PMP等依赖电池供电的便携式产品出现,强调低功耗、低电压的运放应运而生。一般定义下的低电压运放,指工作电压低于2.5伏特,而所谓的低功耗运放,通常指供电电流低于1mA。这类运放大多用在音频系统或是电压比较电路、滤波器等不需要太高频宽的应用。此外,在测试、测量和医疗系统,工程师也希望在低功耗水平下获得改进的性能(例如,更高的带宽、更快的转换率和更低的失真度),所以在这些领域低功耗运放也有创新机会。 5.3 精密运算放大器 精密放大器最初设计用于测试和测量设备,随着汽车和生产线上的性能监视子系统的需要,具有低输入偏移电压和偏移电流以及低温度系数和噪声特征的精密放大器开始用于传感器监视。汽车OEM对性价比的要求甚于对使用的精度放大器的要求。这意味着芯片制造商不得不寻找出路,以使用仅仅5V或者甚至3V达到它们使用15V才能得到的精度。这促进了许多架构和微调技术方面的创新,在一定程度上,也促进了裸片上为了处理滤波或者校准、自动置零和数字微调的有关附加电路的集成。CMOS工艺线宽的不断缩小让芯片上可以增加额外电源。CT、MRI(核磁共振)和超声波机等医疗系统中的通道计数急剧增加让放大器必须跟上ADC的发展。就工艺而言,0.25m芯片规格似乎是最佳点。 高精度运放一般指失调电压低于1mv的运放。与低电压/低功耗运放不同,这类产品由于对信号精准度的要求极高,如果将这类运放整合到后端芯片中形成SoC,其他电路的噪声将严重干扰此类运放的正常运作,因此就现阶段的技术来看,这类运放将是最不容易被整合的组件。高精度运放可用于工业自动化、医疗器材、量测仪器、汽车电子、甚至军事国防等不同领域。 5.4 通用运放在传统应用领域仍有发展空间 虽然随着应用需求不断变更,运放供货商必须顺应市场变化推出相应的新产品。然而因为运放在业界已被广泛采用数十年之久,有些应用产品的生命周期也长达十多年,因此很多传统产品仍有其一定的市场需求,例如在汽车与工业自动化领域,就有很多设备还是需要用到传统的通用运放。通用运放对工程师而言,可以说是最常用的半导体组件之一。通过外部电阻的不同配置,一颗运放可以对输入信号进行各种微调后再输出,以符合信号链后端的ADC、电源管理芯片等组件的输入信号要求。正因为其简单易用的特性,再加上极为经济实惠的价格,因而使得这类放大器始终在出货量上稳居运放市场的主流地位。 然而,为顺应PCB板尺寸不断缩水,以及制造工艺发展所造成的输入电压下降的趋势,通用型运放也必须革新应变。例如凌特推出的LT1990/1/2/5/6放大器,就集成了精度匹配电阻,不同型号按照高精度、高速度或高电压应用进行优化,可用作反相、非反相或差分放大器连接。 综上所述,未来高速运放有望取代通用运放成为主流产品,但从整体看,各类运放的市场规模都将呈现增长态势。便携式音频/视频播放器、无线通信、医疗成像、工业和仪器仪表等应用领域都将为下一代运放创造新的机会。 参考文献1戴佳，戴卫恒 51单片机C语言应用程序设计实例精讲 北京：电子工业出版社，2006.4：112-1212全国大学生电子设计竞赛组委会编著 全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编 北京理工大学出版社，2004.8：198-2023伍乾永,陈彬 基于单片机的可控增益放大器设计 内肛科技 2008.4：101-1024张志良 单片机原理与控制技术 北京：机械工业出版社，2001.6：176-1885周海胜 王栋臣 可变增益放大器的实现方法 仪表技术与传感器 2001.04 ：32-346王小娟 数字式可变增益放大器的实现 仪表技术 2008.07 ：7-87张剑平 程控放大器及其精度研究j 仪器仪表学报 2006.6 ：38The AD7520 data sheet M，ANALOG Inc 2007：1-29The LM318 data sheetM,T1 Inc 1994.4:1-410The MC14495 data sheetM, MOTOROLA Inc 2001:1-211魏福安 电子电路设计与实践M，山东：山东科技出版社，2001：7- 12何立民 单片机应用系统设计 北京航空航天大学出版社，1991.1：30-3313李清泉，黄昌宁 集成运算放大器原理及应用 科学出版社，1980.2：41 -4214秦世才 王朝英 集成运算放大器应用原理 天津科学出版社,1983.10：12-1515余淑美 微机原理接口技术及应用 中国广播电视出版社，1993.9：42-4516赵新民 智