美國(guó)穆格放大器基本介紹
1962年美國(guó)EG&G PARC(SIGNAL RECOVERY公司的前身) 的*臺(tái)鎖相放大器(Lock-in Amplifier，簡(jiǎn)稱LIA)的發(fā)明，使微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)得到標(biāo)志性的突破，極大地推動(dòng)了基礎(chǔ)科學(xué)和工程技術(shù)的發(fā)展。目前，微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)和儀器的不斷進(jìn)步，已經(jīng)在很多科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，未來(lái)科學(xué)研究不僅對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)提出更高的要求，同時(shí)新的科學(xué)技術(shù)發(fā)展反過(guò)來(lái)促進(jìn)了微弱信號(hào)檢測(cè)新原理和新方法的誕生。
早期的LIA是由模擬電路實(shí)現(xiàn)的，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了模擬與數(shù)字混合的LIA，這種LIA只是在信號(hào)輸入通道，參考信號(hào)通道和輸出通道采用了數(shù)字濾波器來(lái)抑制噪聲，或者在模擬鎖相放大器(簡(jiǎn)稱ALIA)的基礎(chǔ)上多了一些模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)和各種通用數(shù)字接口功能，可以實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)控制、監(jiān)視和顯示等輔助功能，但其核心相敏檢波器(PSD)或解調(diào)器仍是采用模擬電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，本質(zhì)上也是ALIA。直到相敏檢波器或解調(diào)器用數(shù)字信號(hào)處理的方式實(shí)現(xiàn)后，就出現(xiàn)了數(shù)字鎖相放大器(簡(jiǎn)稱DLIA)，DLIA比ALIA有許多突出的優(yōu)點(diǎn)而倍受青睞，成為現(xiàn)在微弱信號(hào)檢測(cè)研究的熱點(diǎn)，但是在一些特殊的場(chǎng)合中，ALIA仍然發(fā)揮著DLIA不可替代的作用。
運(yùn)算放大器是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的一個(gè)zui通用、zui重要的的單元。全差分運(yùn)放是指輸入和輸出都是差分信號(hào)的運(yùn)放, 與普通的單端輸出運(yùn)放相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn): 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(xiàng)比較好等。因此通常高性能的運(yùn)放多采用全差分形式。近年來(lái),全差分運(yùn)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(lái)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(yùn)放來(lái)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(gè)zui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。
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所以同時(shí)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(yùn)放具有較高的開(kāi)環(huán)增益及很高的單位增益帶寬。全差分運(yùn)放的缺點(diǎn)是它外部反饋環(huán)的共模環(huán)路增益很小, 輸出共模電平不能確定,因此,一般情況下需加共模反饋電路。運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)重要有三種:(a) 簡(jiǎn)單兩級(jí)運(yùn)放,(b)折疊共源共柵,(c)共源共柵,如圖1 的前級(jí)所示。本次設(shè)計(jì)的運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)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。
該運(yùn)算放大器存在兩級(jí):(1)Cascode 級(jí)增大直流增益(M1-M8);(2)、共源放大器(M9-M12)。對(duì)于全差分運(yùn)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(jì)輸出平衡的全差分運(yùn)算放大器的時(shí)候,必須考慮到以下幾點(diǎn):共模負(fù)反饋的開(kāi)環(huán)直流增益要求足夠大,能夠于差分開(kāi)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,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(bǔ)償;共模信號(hào)監(jiān)測(cè)器要求具有很好的線性特性;共模負(fù)反饋與差模信號(hào)無(wú)關(guān), 即使差模信號(hào)通路是關(guān)斷的。
該運(yùn)算放大采用連續(xù)時(shí)間方式來(lái)實(shí)現(xiàn)共模負(fù)反饋功能。該結(jié)構(gòu)共用了共模放大器和差模放大器的輸入級(jí)中電流鏡及輸出負(fù)載。這樣,一方面降低了功耗; 另一方面保證共模放大器與差模放大器在交流特性上保持一致。因?yàn)楣材７糯笃鞯妮敵黾?jí)與差模放大器的輸出級(jí)可以*共用,電容補(bǔ)償電路也一樣。只要差模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(yùn)算放大器可以像單端輸出的運(yùn)算放大器一樣設(shè)計(jì), 而不用考慮共模負(fù)反饋電路對(duì)全差分放大器的影響。
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