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什么是放大器？

2023/3/9 11:11:30

今天我想给大家介绍一下放大器.放大器是一种能够放大输入信号的电压或功率的装置,由电子管或晶体管\电源变压器等电气元件组成,应用于通信\广播\雷达\电视\自动控制等设备中.

放大器是一种利用电子管或晶体管\电源\变压器等电气元件来增大输入信号的电压或功率的装置.放大器的放大效果是通过用输入信号来调节能量源实现的,而能量源提供了放大所需的功耗.通信\广播\雷达\电视\自动控制等系统都会用到放大器.

放大器是一种增强信号幅度或强度的装置,它是自动化技术应用中信号处理的关键部分.放大器的放大效果是通过用输入信号来调节能量源实现的,而能量源提供了放大所需的功耗.线性放大器的输出是对输入信号的复制和增强,非线性放大器的输出则是输入信号的函数.

一\放大器电路的基本原理

"放大" 一词指的是让微弱的电信号通过某个装置,从而产生一个与该微弱信号波形相同但幅度显著增大的信号输出的过程.这个装置就是晶体管放大器电路.

放大器电路的放大作用主要是将直流电源 UCC 的能量转移到输出信号上.

晶体管是放大器电路的核心.因此,如果放大器电路想要放大输入的小信号,首先必须确保晶体管工作在放大区.

晶体管放大器电路通常有以下三种配置方式：

无论放大器电路采用何种布局,其目的都是让输入的微弱信号通过放大器电路,并在输出时使其信号幅度大幅增加.

在电子技术中,共发射极放大器电路是应用最为广泛的放大器电路类型.该电路的一般结构如下：

图 1

二\放大器的基本特性

增益
放大器的增益涉及它能够将信号幅度提升多少,这个参数通常以分贝(dB)为单位来表示.从数学角度讲,增益被定义为输出幅度除以输入幅度.
输出动态范围
最大和最小有效输出幅度之间的范围被称为输出动态范围,通常也用分贝(dB)来表示.放大器的动态范围被定义为不受输出噪声限制的最低实际幅度.
带宽和上升时间
(1)放大器的带宽(BW)通常用低频和高频半功率点之间的差值来描述,因此常被称为 "-3dB 带宽".有时也会定义其他响应容差下的带宽(如 -1dB\ -6dB 等).例如,一个优质音频放大器的 -3dB 带宽大约会是 20 赫兹到 20000 赫兹(这是正常人类听力的频率范围).
(2)当输入阶跃信号时,放大器的上升时间是指输出端从最终输出幅度值的 10% 变化到 90% 所花费的时间.
理想频率特性
相位偏移与频率成正比,而增益保持恒定.也就是说,对于不同频率的信号,放大器具有相同的放大程度,并且任何频率信号的相位偏移都为零.
稳定时间和偏移量
输出幅度稳定在最终幅度特定比例(例如 0.1%)内所花费的时间.
效率
施加到放大器输入的能量转化到输出端的比例被称为效率.甲类(A 类)放大器的效率相当低,为 10% - 20%,最高不超过 25%.现代甲乙类(AB 类)放大器的效率范围在 35% - 55% 之间,理论最大值为 78.5%.据说商用的丁类(D 类)放大器的效率可高达 97%.放大器的效率限制了总功耗中可利用的部分.值得注意的是,效率更高的放大器散热更少,而且在多数情况下,对于功率为几瓦的系统来说不需要配备风扇.
转换速率
转换速率是输出电压变量的变化速率,通常定义为伏特每秒(或微秒).
噪声系数
它是衡量放大过程中引入多少噪声的指标.在电气设备和元件中,噪声是令人讨厌却又不可避免的.在无输入信号时,噪声可以通过放大器输出端的分贝数或峰值输出电压来测量,也可以通过输入和输出信号的信噪比差值来确定.放大器的噪声系数是输出信号的信噪比变差的分贝数.
线性度
理想情况下应该存在完全线性的放大器,但实际的放大器仅在特定的实际范围内才是线性的,否则就会出现失真.当驱动放大器的信号增大时,输出会随之增大,直至达到某个特定电压值,导致放大器的一部分进入饱和状态,无法再增大输出,这被称为 "截止失真"(也叫削波失真).还存在 "饱和失真" 的情况.晶体管的特性以及静态工作点的选择与失真的来源直接相关.

三\光纤放大器

光纤放大器的成功研制是光纤通信技术中的一个重要里程碑,为光复用\光弧通信以及全光网络的发展铺平了道路.顾名思义,光纤放大器的作用是放大光信号.

增益介质\泵浦光以及输入输出耦合结构都是光纤放大器常见的组成部分.光纤放大器可分为三类：掺铒光纤放大器\半导体光放大器和光纤拉曼放大器.根据其应用情况,光纤放大器在光纤网络中有三种不同用途：在发射端用作功率放大器以提高发射质量;在接收端用作前置放大器,可大幅提高光接收机的灵敏度;在光纤传输线路中用作中继放大器,用于补偿光纤传输损耗并增加传输距离.

光纤放大器具有实时\高增益\宽带\低噪声\低损耗的全光放大特性,是新一代光纤通信系统中至关重要的基础部件.

光纤放大器的原理及分类

掺铒光纤放大器(EDFA)的原理
掺铒光纤放大器的泵浦工作需要一个三能级系统.通过向掺铒光纤中注入足够强的泵浦光,能够将处于基态的大部分铒离子(Er³⁺)泵浦到激发态,并且激发态的铒离子能够迅速转移,通过辐射方式转移能量可达到亚稳态.由于铒离子在亚稳态能级上的寿命较长,所以很容易在亚稳态和基态之间形成粒子数反转.当信号光子通过掺铒光纤时,它会与处于亚稳态的铒离子相互作用,产生受激辐射效应,从而产生大量与自身相同的光子.此时,通过掺铒光纤传输的信号光子数量迅速增加,进而实现信号放大.当铒离子处于亚稳态时,除了受激辐射和受激吸收外,还会产生自发辐射(ASE),这就导致了掺铒光纤放大器的噪声.

掺铒光纤放大器(EDFA)具有高增益\低噪声\宽频带\高输出功率\低连接损耗以及对偏振不敏感等优点,在存在失真的情况下也能实现稳定的功率放大.

掺铒光纤放大器(EDFA)的结构
掺铒光纤(EDF)\泵浦光源\耦合器以及隔离器是构成掺铒光纤放大器结构的基本部件.
掺铒光纤是掺铒光纤放大器的基本组成部分,其基质由石英光纤构成,纤芯中掺杂有铒离子,铒离子是一种固体激光工作物质.光隔离器的作用是防止光反射回放大器,所以它必须具有低插入损耗\对偏振不敏感以及隔离度大于 40 分贝的特性.

掺铒光纤放大器(EDFA)的特性及性能指标
增益特性体现了放大器的放大能力,它被定义为输出功率与输入功率之比.Pout 和 Pin 分别是放大器输出端和输入端的连续信号功率.增益系数表示的是 1 毫瓦的泵浦光功率通过光纤放大器时所获得的增益大小.泵浦强度决定了小信号增益系数 g₀.由于增益饱和现象,随着信号功率的增加,增益系数会减小;Is 和 Ps 分别是饱和光强度和饱和光功率,它们是体现增益材料特性的量,与掺杂系数\荧光寿命以及跃迁截面等有关.
增益和增益系数的区别在于,增益主要与输入信号相关,而增益系数主要与输入泵浦光相关.此外,增益会受到泵浦情况(如泵浦功率和泵浦波长)的影响,最常见的泵浦波长为 980 纳米和 1480 纳米.由于增益系数在各处不同,而且增益必须在整个光纤上进行积分,所以可以利用这一特性来选择光纤长度,以获得较为平坦的增益谱.

掺铒光纤放大器(EDFA)的带宽
增益谱带宽是指信号光能够被放大到一定程度的波长范围.实际的掺铒光纤放大器的增益 - 频率变化关系远比理论上的复杂,并且还会受到基质光纤掺杂情况的影响.掺铒光纤放大器具有数百纳米的增益谱宽度,并且增益谱比较平坦.掺铒光纤放大器的增益谱范围在 1525 纳米到 1565 纳米之间.

掺铒光纤放大器(EDFA)的级联结构
掺铒光纤放大器(EDFA)对光信号强度的放大经常采用级联机制,比如二级或三级放大,特别是在无线光通信的高功率(瓦特级)应用中.由于光隔离器能有效抑制后级的反向自发辐射(ASE),所以采用级联方式：在掺铒光纤放大器(EDFA)的掺铒光纤(EDF)中引入光隔离器,构建出带有光隔离器的二级级联掺铒光纤放大器.掺铒光纤放大器(EDFA)的反向自发辐射(ASE)被阻止进入第一级掺铒光纤(EDF),减少了反向自发辐射(ASE)上的泵浦功率消耗,使泵浦光子能更高效地转换为信号光能量,从而改善了掺铒光纤放大器(EDFA)的增益\噪声系数以及输出功率等特性.在这项研究中,通过兆瓦级的级联放大,掺铒光纤放大器(EDFA)可将 1 - 2 毫瓦的 1550 纳米光信号放大到大约 1 瓦.
由激光二极管(LD)产生光信号,该信号是调制信号.第一级放大采用单包层掺铒光纤放大器,并用 980 纳米的单模半导体激光器作为泵浦源,将光功率提升到大约 50 毫瓦.光信号在第一级被稳定且持续地放大到特定功率,这既保证了整个光信号的完整性,又为后续的光放大提供了更大的光功率基础.第二级采用双包层光纤放大器,多模半导体激光泵浦源将光功率提升到大约 1 瓦.双包层光纤放大器的纤芯比单包层光纤放大器的纤芯大,使得泵浦功率能够成功耦合到纤芯中,从而使第二级光信号输出功率达到瓦特级.

掺铒光纤放大器(EDFA)
在掺铒光纤放大器中,掺铒光纤是其有源介质.当向掺铒光纤施加泵浦光时,处于基态的铒离子(Er³⁺)可被泵浦到激发态,并且激发态的铒离子能够迅速且无辐射地转移到亚稳态.由于铒离子(Er³⁺)在亚稳态的停留时间为 10 毫秒,所以很容易在亚稳态和基态之间形成粒子数反转.激光辐射效应会产生大量与自身相同的光子,使得信号光子数量迅速增加,从而在输出端获得不断被放大的光信号.

自 20 世纪 80 年代末 90 年代初以来,掺铒光纤放大器(EDFA)被研制出来并应用于 1.55 毫米频段的光纤通信系统中,推动了光纤通信朝着全光传输的方向发展.C 波段的掺铒光纤放大器(EDFA)是最为成熟的,广泛应用的 C 波段掺铒光纤放大器工作在光纤损耗最低的 1530 - 1565 纳米窗口,具有输出功率大\增益高\对偏振不敏感\噪声系数低\放大特性不受系统比特率和数据格式影响以及能够同时放大多个波长信号等一系列特点,已广泛应用于长距离光通信系统中.其缺点是 C 波段掺铒光纤放大器(EDFA)的增益带宽只有 35 纳米,仅覆盖石英单模光纤低损耗窗口的一部分,从本质上限制了光纤能够容纳的波长信道数量.

然而,随着互联网技术的飞速发展,光纤传输网络的传输容量必须定期提升.在提升传输容量方面,有三个基本途径：
提高每个波长的传输速率;
减小波长间隔;
增加总传输带宽.

半导体光放大器(SOA)
半导体光放大器(SOA)是一种采用类似通信激光器方法制造的行波放大器.当偏置电流小于振荡阈值时,激光二极管能够对输入的相干光实现光放大.由于半导体放大器具有体积小\结构相对简单\功耗低\寿命长\易于与其他光器件和电路集成\适合批量生产\成本低以及能够实现增益和开关功能等优点,所以被用于全光波长转换.由应变量子阱材料构成的半导体光放大器的成功研制,引起了人们对半导体光放大器(SOA)在交换\频谱反转\时钟提取以及解复用等方面的广泛研究兴趣.

在国内,武汉邮电科学研究院和华中科技大学成功研制出了光网络中的一个关键器件 -- 半导体光放大器,并迅速实现了产品化,成为继阿尔卡特之后能够批量向国际市场供应用于光交换机的半导体光放大器的企业.它是半导体光放大器的供应商,这是我国应变量子阱器件商业化进程中的重要一步.然而,与掺铒光纤放大器相比,半导体光放大器存在噪声高\功率低\对串扰和偏振敏感\与光纤连接时损耗较大以及工作稳定性较差等缺点,在放大器方面仍存在较大差距.由于半导体光放大器覆盖 1300 - 1600 纳米范围,所以它既可以用作 1300 纳米窗口也可以用作 1550 纳米窗口的光放大器,并且在密集波分复用(DWDM)多波长光纤通信系统中不需要进行增益锁定,所以其用途不止于此.它是一种很好的光放大器解决方案,有助于 1310 纳米窗口的密集波分复用(DWDM)系统的实现.

光纤拉曼放大器(FRA)
受激拉曼散射(SRS)是光纤中的一种非线性现象,它会将一小部分入射光功率转移到频率更低的斯托克斯波上.当微弱信号的波长位于泵浦光的拉曼增益带宽内时,该微弱信号光就能够被放大.光纤拉曼放大器就是一种利用受激拉曼散射原理的光放大器.

近年来,光纤拉曼放大器受到了广泛关注,成为研发热点.它具有诸多优点：
(1)其增益介质是普通的传输光纤,与光纤系统具有良好的兼容性.
(2)增益波长由泵浦光波长决定,不受其他参数影响.理论上,只要泵浦源的波长合适,任何波长的信号光都能够被放大.
(3)温度稳定性好\增益高\串扰低\噪声系数低\频谱范围宽.

由于光纤拉曼放大器具有众多优点,它能够放大掺铒光纤放大器无法放大的波长波段,并且能在 1292 - 1660 纳米的光谱范围内进行光放大,其增益带宽比掺铒光纤放大器(EDFA)宽得多;它的介质是常规光纤,光纤拉曼放大器可以是分立的也可以是分布式的.分布式光纤拉曼放大器能够在线增强信号光,增加光放大传输距离.它特别适用于 40Gbit/s 高速光网络.因为放大是沿着光纤分布进行的,而非集中在海底光缆通信系统中,所以输入光纤的光功率会大幅降低,非线性效应,特别是四波混频效应会大大减弱.它确实很实用.光纤拉曼放大器是对掺铒光纤放大器(EDFA)的补充,而非替代.使用分布式光纤拉曼放大器的好处是,二者相结合能够创建出大于 100 纳米的增益平坦宽带.

不过,光纤拉曼放大器存在需要超高功率泵浦激光器的缺点.解决这一问题的主要方法如下：首先,研究人员正在寻求具有更低阈值功率的泵浦激光器,以便能够将高功率半导体激光器用作拉曼泵浦源.其次,改进泵浦激光器的研发,以实现更高的输出功率;第三,利用阵列和单片组合对多个泵浦源激光器的波长进行复用,以实现高输出功率.这种方法除了能够提供宽带增益谱外,还可以通过调节各个激光器的强度来改变增益斜率.

四\运算放大器

运算放大器是一种常见的集成电路,它将多个晶体管\电阻器\电容器等元件集成到一个小小的芯片中,按照预定的电路配置来执行放大功能.由于运算放大器是一种集成电路,所以它具备集成电路的所有优点,包括出色的放大精度\高增益\低噪声以及易于设计等.在对放大元件有更高要求的一些情况下,设计人员会大量使用运算放大器来替代传统的三极管.

运算放大器的应用范围很广.除了常规的放大功能外,它还可以执行诸如信号的加\减\乘\除等 "运算" 任务.

运算放大器的工作原理

运算放大器有两个输入端和一个输出端,如图所示(标有 "+" 号的输入端是 "同相输入端",不能称之为正极),另一个标有 " - " 号的输入端是 "反相输入端",不能称之为负极.如果从两个输入端输入相同的信号,输出端将会产生一个电压相同但极性相反的输出信号：同相输入端的信号与反相输入端的信号同相,但反相输入端的信号与输出信号反相.

连接运算放大器的电源可以是单电源,也可以是双电源,如图 1 - 2 所示.运算放大器有一些非常有趣的特性,可以灵活用于许多独特的用途.一般来说,这些特性可以归纳为两点：