有源器件ppt课件

1、协作成员：顾银银,胡星,王健健, 朱建平,沈来伟,方智奇有源器件有源器件 一一. .功率放大器功率放大器 二二. .运算放大器运算放大器 三三. .低噪声放大器低噪声放大器 四四. .混频器混频器 五五. .振荡器振荡器是主要内容：一、功率放大Power Amplifier功率放大器在发射机中的位置 A类放大器类放大器B类与类与AB类类在在B类中，有两个组输出器件分别放大正负半周，类中，有两个组输出器件分别放大正负半周，每一个都准确地在输入信号的每一个都准确地在输入信号的180度或半周期时交度或半周期时交互导通。互导通。AB类放大器在类放大器在A类与类与B类的一种折衷，它类的一种折衷，它改善了

2、小信号输出的线性度，具有较高的效率，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。和效率都很重要的设计。B类放大器 B类推挽式放大器C类类常称为高功率射频常称为高功率射频RF放大器放大器C类设计成在输入类设计成在输入信号缺乏信号缺乏180时导通。线性度不好，但是对于单个频时导通。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。信号由调谐电路复原率功率放大器来说这并不重要。信号由调谐电路复原为近似正弦外形，同时效率比为近似正弦外形，同时效率比A类、类、AB类或者类或者B类放大类放大器都高很

3、多。器都高很多。C类放大器D类类该类放大器运用开关来到达很高的功耗效率在现该类放大器运用开关来到达很高的功耗效率在现代设计中大于代设计中大于90%。经过允许每个输出器件完全。经过允许每个输出器件完全导通或关断，能量损失到达最小化。半导体器件的导通或关断，能量损失到达最小化。半导体器件的进展曾经使开发高保真、全声音频带进展曾经使开发高保真、全声音频带D类放大器的开类放大器的开展成为能够，使得它们的信噪比和失真度与其它线展成为能够，使得它们的信噪比和失真度与其它线性器件相近。性器件相近。E类放大器类放大器G类放大器类放大器 1)1948 1)1948年年,Shockley,Shockley、Bar

4、deenBardeen和和BritainBritain等人发明双极晶体管等人发明双极晶体管(BJT);(BJT); 2)1952 2)1952年提出了结型场效应管年提出了结型场效应管(JFET);(JFET); 3)70 3)70年代以后，年代以后，GaAsGaAs单晶及其外延技术获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得突破，砷化镓金属半导体场效应晶体管(GaAs MESFET)(GaAs MESFET)研制胜利。研制胜利。 4)80 4)80年代，由于分子束外延技术年代，由于分子束外延技术(MBE)(MBE)和金属有机化学和金属有机化学气相淀积气相淀积(MOCVD)(MOC

5、VD)技术的进展，超薄外延层的厚度及杂技术的进展，超薄外延层的厚度及杂质浓度得到准确控制，使异质结器件迅速开展质浓度得到准确控制，使异质结器件迅速开展; ; 5)90 5)90年代，基于新电气构造的多种新型固态功率器件相年代，基于新电气构造的多种新型固态功率器件相继出现，如高电子迁移管继出现，如高电子迁移管(HEMT)(HEMT)，以及赝晶高电子迁移，以及赝晶高电子迁移率晶体管率晶体管(PHEMT)(PHEMT)，异质结场效应管，异质结场效应管(HFET)(HFET)，同时用了，同时用了多种新资料如多种新资料如InPInP、SiCSiC、SiGeSiGe及及GaNGaN等等. .二、运算放大器

6、二、运算放大器(Operational Amplifier1.运算放大器的简介 运算放大器是可以对电信号进展运算，普运算放大器是可以对电信号进展运算，普通具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗通具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的放大器。的放大器。 运算放大器最早被设计出来的目的是用来运算放大器最早被设计出来的目的是用来进展加，减，微分，积分的模擬数学运算，进展加，减，微分，积分的模擬数学运算，因此被称为因此被称为“运算放大器运算放大器 。同时它也成。同时它也成为实现模拟计算机为实现模拟计算机analog computer的的根本建构单元。根本建构单元。 2.运算放大器的参数和分类1参数：参数：

7、主要有低频增益、单位增益频率、功耗、输主要有低频增益、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、输入范围、电压摆动率、输入偏移电压、还有噪声等还有噪声等 。2分类：分类：按任务原理分：电压放大型、电流放大型、按任务原理分：电压放大型、电流放大型、跨导型和互阻型。跨导型和互阻型。按性能目的分：高阻型、高速型、高精度型按性能目的分：高阻型、高速型、高精度型和低耗型。和低耗型。 3.3.集成运放的开展概略集成运放的开展概略 第一代产品根本沿用了分立元件放大电路的设计思想，采第一代产品根本沿用了分立元件放大电路的设

8、计思想，采用集成数字电路的制造工艺，利用了少量横向用集成数字电路的制造工艺，利用了少量横向PNPPNP管，构管，构成以电流源做偏置电路的三级直接耦合放大电路。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，各方面性能目的比较平衡，属使开环增益有了显著提高，各方面性能目的比较平衡，属于通用型运放。于通用型运放。 第三代产品的输入级采用了超第三代产品的输入级采用了超管，管，值高达值高达1000500010005000倍，而且幅员设计上思索了热效应的影响，从而减小了失倍，而且幅员

9、设计上思索了热效应的影响，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。输入电阻。 第四代产品采用了斩波稳零和动态稳零技术，使各性能目第四代产品采用了斩波稳零和动态稳零技术，使各性能目的参数更加理想化。的参数更加理想化。ST(ST(意法半导体意法半导体) )的运放产品的运放产品 LF147 WIDE BANDWIDTH QUAD J-FET OPERATIONAL AMPLIFIERS LOW POWER CONSUMPTION WIDE COMMON-MODE (UP TO VCC+) AND DIFFERENTIA

10、L VOLTAGE RANGE LOW INPUT BIAS AND OFFSET CURRENT HIGH INPUT IMPEDANCE JFET INPUT STAGE INTERNAL FREQUENCY COMPENSATION三、低噪声放大器三、低噪声放大器 low noise amplifier 1 1、晶体管的本身噪声分类：、晶体管的本身噪声分类：1 1闪烁噪声，其功率谱密度随频率闪烁噪声，其功率谱密度随频率f f的降低而添加，因此也的降低而添加，因此也叫作叫作1/f1/f噪声或低频噪声。噪声或低频噪声。2 2基极电阻的热噪声和。基极电阻的热噪声和。3 3散粒噪声散粒噪声, ,

11、这两种噪声的功率谱密度根本上与频率无关。这两种噪声的功率谱密度根本上与频率无关。4 4分配噪声，其强度与分配噪声，其强度与ff 的平方成正比，当的平方成正比，当f f高于晶体管的高于晶体管的截止频率时截止频率时, ,这种噪声急剧添加。图这种噪声急剧添加。图1 1是晶体管噪声系数是晶体管噪声系数F F随频率变化的曲线。随频率变化的曲线。2 2、低噪声放大器的用途：、低噪声放大器的用途： 用于各类无线电接纳机的高频或中频前置放大用于各类无线电接纳机的高频或中频前置放大 器，以器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。及高灵敏度电子探测设备的放大电路。3 3、噪声系数、噪声系数F F： 理想放大器的噪

12、声系数理想放大器的噪声系数 F=1 F=10 0分贝，其物理意义是输分贝，其物理意义是输出信噪比等于输入信噪比。出信噪比等于输入信噪比。LNA产品四、混频器四、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 该器件能经过频率相乘到达变换频率的功能，上变频和下变频 下变频混频器原理图1、混频器根本性能目的线性度：通常用输入三阶互调点线性度：通常用输入三阶互调点IIP3、输、输出三阶互调点出三阶互调点OIP3、1dB增益紧缩点这三增益紧缩点这三个参数来衡量个参数来衡量变频损耗变频损耗/增益：常用电压转换增益来表征增益：常用电压转换增益来表征 噪声系数噪声系数

13、(NF)：常用信噪比：常用信噪比SNR-Signal Noise Ratio来定义：输出信噪比与输入来定义：输出信噪比与输入信噪比的比值信噪比的比值隔离度隔离度 ：隔离度的定义是两个端口间信号：隔离度的定义是两个端口间信号的衰减度，单位是的衰减度，单位是dB LO-RF的馈通会导的馈通会导致致LNA、天线、天线LO漏损、恶化漏损、恶化IIP2性能；性能；RF-LO馈通会导致馈通会导致RF途径中的强干扰与本地振途径中的强干扰与本地振荡器影响；荡器影响；LO-IF和和RF-IF馈通会影响中频输馈通会影响中频输出。由于出。由于LO的幅度通常很大，于是的幅度通常很大，于是LO-RF和和LO-IF馈通被

14、广泛关注馈通被广泛关注阻抗匹配：输入和输出阻抗匹配通常用史阻抗匹配：输入和输出阻抗匹配通常用史密斯圆图来表示密斯圆图来表示1dB增益紧缩点表示图电压转换增益：噪声系数：2、有源混频器根本构造单平衡 优点：宽带运用、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 缺陷：射频信号与中频信号之间没有隔离。经常需求额外的在每个晶体管的输出匹配网络内部添加一个低通滤波器双平衡如今常用双平衡CMOS-Gilbert混频器 优点：新增的二极管可以改善隔离度、加强对寄生方式的抑制。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一切偶次谐波。信号通道是相

15、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 缺陷：需求相当大的本振功率、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普通无源混频器无杂散动态范围性能优秀，但是任务带宽却不如有源混频器因此工程师必需折中思索线性度、噪声和带宽三个性能目的，牺牲某个来成就另外的。而混频器制造商也在不断地改良混频器构造使三个目的尽能够地集中在一个器件上几种典型的混频器拓扑性能对比4、混频器的目的及提高技术 线性度：经过逐段逼近加大跨导的线性从而提高整个系统的线性度

16、下限。源级退化技术提高混频器最大输入电压范围，实现添加线性度。用前馈差分对构造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、混频器的国内外研讨热点 对于0.13微米尺寸CMOS工艺混频器设计 超宽带运用的混频器研制 极小功率极小尺寸的混频器的研讨 可变转换增益混频器的研讨 片上巴伦的深化运用 噪声抑制技术的研讨 面向特殊运用的公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

17、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、单板接纳机提供了能够。实现了较好的高线性度、低噪声、宽带的结合。五、振荡器五、振荡器oscillator1、定义：、定义： 振荡器是一种能量转换安装振荡器是一种能量转换安装不不需求外信号鼓励，将直流电能转换为具需求外信号鼓励，将直流电能转换为具有一定频率的交流电能。有一定频率的交流电能。2、振荡器的种类、振荡器的种类 按振荡鼓励方式分有：自激振荡器、他激振荡器； 按电路构造分有：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 正反响网络 选频网络3、振荡器最根

18、本组成部分、振荡器最根本组成部分 4、 振荡器起振及稳定的条件振荡器起振及稳定的条件 1)以反响式为例： 起振条件： i) 在相位上：反响电压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：以负阻振荡器为例：i)起振条件为：起振条件为： GDGL BD=BL ii)振荡平衡条件为：振荡平衡条件为： GD=GL BD=BL 5、振荡器的运用、振荡器的运用 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育。是6、消费晶体振荡器，、消费晶体振荡器，TXCO之类的欧美公司之类的欧美公司 1、SITIME；2、锐康晶体，公司是新西兰的，是在石英晶体振荡器的运用和开发方面具有世界领先程度和市场主导位置的一家跨国公司，公司曾经成为消费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处理方案供应商，Fox在美国晶体振荡器供应商调查中名列榜首；