光放大器原理及其发展

光通信系统的工作性能,除与光源有关外,还与其传输媒质有关。随着光纤技术的发展,通过追求光通信领域的远距离传输,诞生了光放大器,光放大器可以做到直接放大光信号,在通信领域有很大的应用价值。总结了光放大器的基本原理及其发展。首先介绍了光放大器的概念、分类和原理。然后分别对三类光放大器的关键技术进行了介绍,包括工作原理与性能方面,然后对各类光放大器的国内外现状进行了分析。最后,对光放大器未来的发展进行了展望。

0.2~2.0GHz100W超宽带GaN功率放大器

设计并实现了一款基于0.25μm GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺的100 W超宽带功率放大器。基于SiC无源工艺设计了集成无源器件(IPD)输入预匹配电路芯片;设计了基于陶瓷基片的T型集成输出预匹配电路;基于建立的传输线变压器(TLT)的精确模型,设计了宽带阻抗变换器,在超宽频带内将50Ω的端口阻抗变换至约12.5Ω,再通过多节微带电路与预匹配后的GaN HEMT芯片实现阻抗匹配。最终,以较小的电路尺寸实现了功率放大器的超宽带性能指标。测试结果表明,功率放大器在0.2~2.0 GHz频带内,在漏极电压36 V、输入功率9 W、连续波的工作条件下,输出功率大于103 W,漏极效率大于50%,输入电压驻波比(VSWR)≤2.5。

VHF频段小型化千瓦级GaN功率放大器

为了满足VHF频段对高功率放大器小型化的需求,设计并制备了一款基于05μm GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺的VHF频段小型化千瓦级功率放大器。通过采用多节微带电容网络和高介电常数的印制电路板(PCB)实现了末级功率放大器匹配电路的小型化;以高通滤波器作为级间匹配电路,在减小电路尺寸的同时,提高了链路增益;采用混合集成工艺,实现了电源调制器、前级驱动功率放大器和末级功率放大器等各单元的小型化高密度集成。测试结果表明,在024~030 GHz频带内,该功率放大器的工作电压为50 V,工作脉宽为100μs,在占空比10%、输入功率10 dBm的工作条件下,带内输出功率大于1000 W,功率附加效率约为60%~69%,功率增益大于50 dB,功放体积为46 mm×30 mm×6 mm。

MC-ICP-MS高阻放大器校正偏移对同位素测试的影响——以汞同位素为例

增益(Gain)校正有助于消除MC-ICP-MS不同高阻放大器之间的阻值差异,进而提高同位素分析的精度和准确度,但有关Gain的偏移和校正频率对同位素测试的影响和作用原理还缺乏系统认识。本研究结合本实验室Neptune Plus MC-ICP-MS的Gain校正数据,以实际测试的汞同位素数据为例,评估了放大器Gain校正系数偏移对同位素测试的影响。结果显示,当测试标样和样品的校正系数偏移幅度一致时,汞同位素测试结果基本无变化;当偏移幅度存在明显差异且单一放大器校正系数的相对偏移幅度超过–0.070‰~0.058‰时,汞同位素的测试结果大于分析误差。Gain校正系数单日的相对变化幅度(–0.028‰~0.028‰)可保证汞同位素测试结果小于分析误差,但长期的偏移却会导致汞同位素变化远超分析误差。此外,仪器的硬件、温度和真空度等也是Gain校正系数变化的重要影响因素,因此建议定期维护仪器,并每日进行Gain校正,以保证测试结果的稳定和准确。

辐照效应对于掺镱光纤放大器模式不稳定阈值影响的理论研究

光纤放大器在辐照环境中具有良好的应用前景,而模式不稳定(transverse mode instability,TMI)效应则是制约光纤放大器功率提升的重要因素.因此,针对辐照效应对于掺镱光纤放大器TMI阈值的影响,开展了理论研究.通过将辐致损耗引入光纤放大器的TMI理论模型,率先给出了考虑辐照效应的TMI阈值表达式,探讨了TMI阈值随辐射剂量的变化规律,研究表明:辐照效应对于TMI阈值的影响,不仅与光纤的抗辐照性能有关,还与光纤放大器的增益系数有关.增益系数的增大,会减缓TMI阈值随辐射剂量的衰减,但也会导致TMI阈值的整体下降.通过对比辐照效应对于TMI阈值和输出功率的影响,结果发现,TMI阈值随辐致损耗衰减更快.这也使得TMI效应成为辐照条件下光纤放大器输出功率的限制因素.相关研究结果,对于辐射条件下光纤放大器的设计及应用研究具有指导意义.

低峰均比M-APSK波形的功率放大器数字预失真仿真分析

针对新一代散射通信对通信距离、传输速率、调制波形的更高需求,对散射通信大功率放大器提出了更高要求。利用星座图分析了M-APSK的峰均比,分析了功率放大器的Volterra级数与记忆多项式两种非线性模型,设计了自适应数字预失真技术的仿真方案,并进行了M-APSK波形下的功率放大器数字预失真仿真。结果表明,功率放大器通过数字预失真可以显著改善M-APSK调制波形信号质量。

一种基于自适应时钟和波纹减少环路的高精度电流反馈仪表放大器

电流反馈仪表放大器芯片因其高精度、高共模抑制比等优势,广泛应用于微弱信号检测。传统CFIA利用斩波技术降低1/f噪声和失调电压以提升放大器精度,但额外引入斩波波纹会显著限制其精度提升。为此,本文提出一种基于自适应时钟和波纹减小环路的新型电流反馈仪表放大器ARCFIA,该放大器针对传统斩波放大器波纹,采用波纹减少环路RRL对其抑制,并借助自适应时钟ACLK,将斩波开关的输入参考噪声谱密度降低。实验结果表明,ARCFIA实现了低于1.4μV的低失调电压和17.2 nV/√Hz的输入参考噪声,同时波纹被减少到ARCFIA噪声基底以下,通过减小失调、噪声和波纹,实现了精度的进一步提升。此外,ARCFIA还具有一定潜力应用于复杂环境下的高精度测量系统。

课程思政下运算放大器的混合式教学探索

在理工科核心课程中开展课程思政教育是当前教育发展的新模式。运算放大器是电路理论分析课程中的一个多端元件,对于帮助理解受控源有着非常重要的意义,同时在工程中有着多种实际应用。借助混合式教学这一模式,将思政教育贯彻到运算放大器的教学中,在传授知识的同时培养学生的爱国情怀和敬业精神。

可重构通道选择型功率放大器设计

为满足现代无线通信系统小型化、集成化、低成本和高性能的需求,提出了一种新型的可重构功率放大器结构。该结构设计的输入匹配网络,能够实现1~3 GHz频段内的良好匹配;输出匹配网络将可重构技术和滤波匹配技术相结合,通过分布式PIN开关连接不同的滤波匹配电路,实现信号在多通道内高效的放大特性和工作频带的高选择性输出。采用CGH40010F GaN晶体管设计并加工了一款工作在1.5、1.8、2.4、2.6 GHz的功率放大器,其带宽约为200 MHz,通带外信号衰减可达-30 dB。通过测试,该功率放大器的饱和输出功率为40 dBm,增益维持在10 dB左右,最大功率附加效率(power added efficiency, PAE)可达到63%,实测结果与仿真结果具有较好的一致性。本文结构降低了电路复杂度和设计难度,具有高效率、高选择性等优势,为设计宽频带多功能可重构功率放大器提供了一种可行的方案。

4GHz~8GHz 200W GaN超宽带内匹配功率放大器的研制

基于中国电子科技集团公司第十三研究所0.25μm GaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)工艺平台研制的高压大栅宽芯片,设计了一款4GHz~8GHz 200W GaN超宽带内匹配功率放大器,分别进行了管芯设计、大信号模型设计、栅匹配电路设计以及输出匹配电路设计,并对设计出的功率放大器进行制作与测试,测试表明设计出的功率放大器具有优异的性能。

SiGe BiCMOS低噪声放大器激光单粒子效应研究

随着CMOS工艺的日益成熟和SiGe外延技术水平的不断提高,SiGe BiCMOS低噪声放大器(LNA)广泛应用于空间射频收发系统的第一级模块.SiGe HBT作为SiGe BiCMOS LNA的核心器件,天然具有优异的低温特性、抗总剂量效应和抗位移损伤效应的能力,然而,其瞬态电荷收集引起的空间单粒子效应是制约其空间应用的瓶颈问题.本文基于SiGe BiCMOS工艺低噪声放大器开展了单粒子效应激光微束实验,并定位了激光单粒子效应敏感区域.实验结果表明,SiGe HBT瞬态电荷收集是引起SiGe BiCMOS LNA单粒子效应的主要原因.TCAD模拟表明,离子在CMOS区域入射时,电离径迹会越过深沟槽隔离结构,进入SiGe HBT区域产生电子空穴对并引起瞬态电荷收集.ADS电路模拟分析表明,单粒子脉冲瞬态电压在越过第1级与第2级之间的电容时,瞬态电压峰值骤降,这表明电容在传递单粒子效应产生的瞬态脉冲过程中起着重要作用.本文实验和模拟工作为SiGe BiCMOS LNA单粒子效应抗辐射设计加固提供了技术支持.

红外探测器中一种电容式反馈跨阻放大器的设计

放大器电路对提高红外成像技术中红外探测器的读出精度,是至关重要的。针对电容式反馈跨阻放大器的设计进行了研究,提出了一种在反馈回路中用晶体管代替反馈电阻的新的拓扑结构。对于所提出的拓扑结构,提出并分析了与系统稳定性相关的诸如截止频率和衰减比等的总体频率响应和设计参数,从而获得高直流输入动态范围。此外,还讨论了在直流反馈回路中加入额外的电容以确保系统的稳定性。分析、仿真和实验结果的良好一致性验证了所提出的CF-TIA方案的有效性,而且所提出的电路设计在正常或低直流输入下的整体噪声性能方面相比于传统的CF-TIA方案更具优势。尽管本文中的电路采用分立元件实现,但提出的频率响应模型和稳定性分析适用于所有CF-TIA应用和CMOS芯片设计。

某型接收机中放大器自激机理分析与预防措施

对某型接收机中频噪底升高故障进行了分析处理,分析结果表明射频模块腔体内存在个体差异,导致本振放大器在脉冲工作条件下产生自激,通过对放大器自激机理的分析给出了相应的预防措施,在射频小盒侧壁中粘贴吸波材料,可以有效消除自激。论文对今后腔体自激问题的处理分析具有参考价值。

光学参量放大器辅助的复合腔磁系统中磁力诱导透明及快慢光效应

提出了一种含有光学参量放大器的复合腔磁系统。利用系统海森堡-郎之万演化方程和输入-输出关系研究了磁力诱导透明和快慢光效应。数值计算表明:当腔磁系统考虑磁振子-声子耦合时,出现双重透明窗口。磁振子-声子之间的耦合强度增强,透明窗口宽度变宽,深度加深。在系统中调控光学参量放大器的增益,吸收光谱在共振频率两侧出现不对称现象,吸收谱曲线的峰值随光学参量放大器增益的增加而变大。通过调节腔磁耦合强度,改变了吸收光谱和色散光谱的传输特性。此外,探测场的传输速率依赖于光学参量放大器的增益。腔磁系统的快慢光效应及其切换通过调控光学参量放大器得以实现。该研究结果可为量子光学操纵和量子信息存储的研究提供参考。

基于谐波控制的Doherty功率放大器设计

功率放大器是无线通信里面重要的射频前端电路。为满足现代无线通信对功率放大器高效率的要求,首先基于谐波控制理论分析,设计了一种新型谐波控制电路,此新型谐波控制电路可对功率管产生的封装寄生参数进行补偿,也可对二次谐波、三次谐波进行谐波控制,提高了Doherty功率放大器效率。随后,针对传统Doherty功率放大器限制带宽的问题,提出了采用后匹配结构的方式设计Doherty功率放大器,提高了Doherty功率放大器的带宽。最后,采用Cree公司的CGH40010F GaN HEMT设计一款Doherty功率放大器并进行测试。在1.85~2.15 GHz工作频带内,Doherty功率放大器输出功率可达到44.3~44.8 dBm,增益为12~15 dB,输出漏极效率(DE)大于75%,6 dB回退效率大于60%。结果表明,提出的Doherty功率放大器在效率方面具有显著优势。

非分段GaN HEMT EF2类功率放大器理论研究

目前,增强型氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)的仿真模型存在仿真时间长、复杂度高且收敛性不好等问题。为了解决GaN HEMT器件在电力电子电路中仿真收敛性和准确性差的问题,提出一种非分段的GaN HEMT SPICE模型。使用非分段连续方程对GaN HEMT器件的静态和动态特性进行建模;再对GaN HEMT的输出特性进行仿真,并与Si MOSFET的仿真结果进行对比。仿真结果表明,所提模型的收敛性较好,收敛速度快,有较高的准确性。另外,将此模型应用于EF2类功率放大器中,研究该模型对传输效率的影响。仿真结果进一步表明:该模型具有良好的收敛性;且当开关频率为10~20 MHz,输入功率为75 W时,输出功率可达73 W,传输效率为95%,这也证明了GaN HEMT器件可以提高EF2类功率放大器的传输效率。

基于模拟开关的放大器非线性失真电路设计

非线性失真是影响模拟电路性能的重要因素之一,针对顶部失真、底部失真、双向失真和交越失真四种非线性失真情况对晶体管放大电路的影响,在详细介绍非线性失真原因及总谐波失真量化评价的基础上,以STM32F103ZET6单片机为核心,设计制作了一个放大器非线性失真研究装置。该装置主要包括晶体管放大器、采集测量、微控制器等硬件电路和软件驱动。通过两级负反馈共射放大、乙类放大分别实现基本晶体管放大和四种非线性失真产生电路,利用BL1551和CD4053模拟开关控制波形输出,采用FFT算法提取总谐波失真值。经系统测试:所设计的装置可以输出不失真波形、四种非线性失真电压波形和测量显示总谐波失真系数;测试外接信号源指定信号的总谐波失真系数时,平均精度可达95%。

基于电源调制的L波段高性能GaAsHBT功率放大器

介绍了一种基于GaInP/GaAs异质结双极晶体管(HBT)工艺、电源调制的高峰均比、高功率附加效率L波段功率放大器芯片,可满足多载波聚合、大容量通信系统的要求。从器件层面控制基极表面复合、寄生电阻和电容,实现低膝点电压、跨导均匀的晶体管;在电路层面采用自适应偏置电路和谐波调谐等提升线性和功率附加效率。该放大器采用前级驱动加末级输出、驱动比为1∶6的两级晶体管架构和高低通搭配的匹配电路。测试结果表明,在5 V偏置电压下,该功率放大器的饱和输出功率大于35 dBm;在大功率回退时(8 dBm),增益变化小于2 dB,功率附加效率指标达到50%;对于调制带宽为25 kHz的16进制正交振幅调制(16QAM)通信系统,邻道功率比小于-38 dBc@27 dBm。

2~6 GHz 100 W高效率平衡式功率放大器的研制

为解决传统宽带大功率放大器工作效率低的问题,采用新型电阻电抗连续B/J类功放模式拓展晶体管高效率的输出负载阻抗空间,从而提高宽带功放的漏级输出效率。提出了一款基于0.25μm栅长的氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)的平衡式功放。该功放将LC匹配网络和切比雪夫阻抗变换器相结合实现GaN HEMT器件宽带输入输出阻抗匹配,并利用3 dB Lange耦合器实现宽带平衡式功率合成。在连续波测试条件下,该平衡式功放在2~6 GHz频带内输出功率大于100 W,漏极效率大于45%,功率增益大于9.0 dB,抗负载失配比优于5:1。

X波段GaAs MMIC低噪声放大器设计研究

文章针对雷达和卫星通信等微波系统需求,设计一种X波段GaAs单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)低噪声放大器。该电路为两级放大器级联结构,采用自偏置电路结构,实现单电源3.5 V供电。通过电感峰化和宽带匹配等技术实现X波段的工作频率全覆盖,并实现较低的噪声系数。测试结果表明,在8~12 GHz频率范围内,低噪声放大器功率增益大于23 dB,噪声系数小于1.7 dB,输出1 dB压缩点功率大于13 dBm。