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      德國HAWE哈威比例放大器利用高單位增益帶寬運放來滿足系統(tǒng)精度

HAWE放大器是能把輸入訊號的電壓或功率放大的裝置，由電子管或晶體管、電源變壓器和其他電器元件組成。用在通訊、廣播、雷達(dá)、電視、自動控制等各種裝置中。

增加信號幅度或功率的裝置，它是自動化技術(shù)工具中處理信號的重要元件。HAWE放大器的放大作用是用輸入信號控制能源來實現(xiàn)的，放大所需功耗由能源提供。對于線性HAWE放大器，輸出就是輸入信號的復(fù)現(xiàn)和增強。對于非線性HAWE放大器，輸出則與輸入信號成一定函數(shù)關(guān)系。HAWE放大器按所處理信號物理量分為機械HAWE放大器、機電HAWE放大器、電子HAWE放大器、液動HAWE放大器和氣動HAWE放大器等，其中用得泛的是電子HAWE放大器。隨著射流技術(shù)（見射流元件）的推廣，液動或氣動HAWE放大器的應(yīng)用也逐漸增多。電子HAWE放大器又按所用有源器件分為真空管HAWE放大器、晶體管HAWE放大器、固體HAWE放大器和磁HAWE放大器，其中又以晶體管HAWE放大器應(yīng)用。在自動化儀表中晶體管HAWE放大器常用于信號的電壓放大和電流放大，主要形式有單端放大和推挽放大。此外，還常用于阻抗匹配、隔離、電流-電壓轉(zhuǎn)換、電荷-電壓轉(zhuǎn)換（如電荷HAWE放大器）以及利用HAWE放大器實現(xiàn)輸出與輸入之間的一定函數(shù)關(guān)系（如運算HAWE放大器）。

原理：高頻功率HAWE放大器用于發(fā)射機的末級，作用是將高頻已調(diào)波信號進(jìn)行功率放大，以滿足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)過天線將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收機可以接收到滿意的信號電平，并且不干擾相鄰信道的通信。

高頻功率HAWE放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率HAWE放大器和寬帶高頻功率HAWE放大器兩種，窄帶高頻功率HAWE放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率HAWE放大器或諧振功率HAWE放大器；寬帶高頻功率HAWE放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調(diào)諧功率HAWE放大器。高頻功率HAWE放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出在 “低頻電子線路”課程中已知，HAWE放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同，將其分為甲、乙、丙三類工作狀態(tài)。甲類HAWE放大器電流的流通角為360o，適用于小信號低功率放大。乙類HAWE放大器電流的流通角約等于 180o；丙類HAWE放大器電流的流通角則小于180o。乙類和丙類都適用于大功率工作丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高者。高頻功率HAWE放大器大多工作于丙類。但丙類HAWE放大器的電流波形失真太大，因而不能用于低頻功率放大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載的諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然極近于正弦波形，失真很小。

運算HAWE放大器是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的一個、最重要的的單元。全差分運放是指輸入和輸出都是差分信號的運放, 與普通的單端輸出運放相比有以下幾個優(yōu)點: 輸出的電壓擺幅較大;較好的抑制共模噪聲;更低的噪聲;抑制諧波失真的偶數(shù)階項比較好等。因此通常高性能的運放多采用全差分形式。近年來,全差分運放更高的單位增益帶寬頻率及更大的輸出擺幅使得它在高速和低壓電路中的應(yīng)用更加廣泛。隨著日益增加的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率, 高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器需求越來越廣泛, 而高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要高增益和高單位增益帶寬運放來滿足系統(tǒng)精度和快速建立的需要。速度和精度是模擬電路兩個最重要的性能指標(biāo),然而,這兩者的要求是互相制約、互為矛盾的。所以同時滿足這兩方面的要求是困難的。折疊共源共柵技術(shù)可以較成功地解決這一難題, 這種結(jié)構(gòu)的運放具有較高的開環(huán)增益及很高的單位增益帶寬。全差分運放的缺點是它外部反饋環(huán)的共模環(huán)路增益很小, 輸出共模電平不能精確確定,因此,一般情況下需加共模反饋電路。

運放結(jié)構(gòu)的選擇

運算HAWE放大器的結(jié)構(gòu)重要有三種:(a) 簡單兩級運放,(b)折疊共源共柵,(c)共源共柵,如圖1 的前級所示。本次設(shè)計的運算HAWE放大器的設(shè)計指標(biāo)要求差分輸出幅度為±4V, 即輸出端的所有NMOS 管的VDSAT,N 之和小于0.5V,輸出端的所有PMOS 管的VDSAT,P 之和也必須小于0.5V。

主運放結(jié)構(gòu)

該運算HAWE放大器存在兩級:(1)Cascode 級增大直流增益(M1-M8)；(2)、共源HAWE放大器(M9-M12)。

共模負(fù)反饋

對于全差分運放, 為了穩(wěn)定輸出共模電壓,應(yīng)加入共模負(fù)反饋電路。在設(shè)計輸出平衡的全差分運算HAWE放大器的時候,必須考慮到以下幾點:共模負(fù)反饋的開環(huán)直流增益要求足夠大,最好能夠于差分開環(huán)直流增益相當(dāng);共模負(fù)反饋的單位增益帶寬也要求足夠大,最好接近差分單位增益帶寬;為了確保共模負(fù)反饋的穩(wěn)定, 一般情況下要求進(jìn)行共模回路補償;共模信號監(jiān)測器要求具有很好的線性特性;共模負(fù)反饋與差模信號無關(guān), 即使差模信號通路是關(guān)斷的。

該運算放大采用連續(xù)時間方式來實現(xiàn)共模負(fù)反饋功能。

該結(jié)構(gòu)共用了共模HAWE放大器和差模HAWE放大器的輸入級中電流鏡及輸出負(fù)載。這樣,一方面降低了功耗; 另一方面保證共模HAWE放大器與差模HAWE放大器在交流特性上保持一致。因為共模HAWE放大器的輸出級與差模HAWE放大器的輸出級可以共用,電容補償電路也一樣。只要差模HAWE放大器頻率特性是穩(wěn)定的,則共模負(fù)反饋也是穩(wěn)定的。這種共模負(fù)反饋電路使得全差分運算HAWE放大器可以像單端輸出的運算HAWE放大器一樣設(shè)計, 而不用考慮共模負(fù)反饋電路對全差分HAWE放大器的影響