限幅放大器

数字传输系统的一种元件

限幅放大器用作数据量化器。能够接受较宽的输入电压范围，提供边沿速度受控的、幅度固定的正发射极耦合逻辑输出电平。具有集成的功率检测功能，用来指示输入功率何时跌落到低于编程门限值。

介绍

限幅放大器是数字传输系统中常用的放大器。ECL或SCFL类电流放大器的非线性特性用于实现限幅功能。限幅放大器的工作原理是：当放大器的输入信号幅度超过一定的电平时，放大器进入非线性工作区域，输出信号幅度达到限幅状态。下面分别讨论双极性硅BJT和MOSFET所组成的放大器电路的限幅原理。

原理

限幅放大器电路原理：去除过高或过低的电压信号，保护电路不因为太高或太低的电压，造成电路工作不正常。利用二极管限幅，是集成电路设计中常用来保护电路的方法。限幅器采用的方法，可利用二极管的压降，三极管集电极电流截止与饱和或者差动放大器限制电流以及二极管正反向的电阻变化等方法。

限幅放大器的作用是对输入的FM或FSK信号限幅放大，消除FM或FSK波中的振幅干扰，抑制寄生调幅，使进入相位比较器PD的信号为等幅调频波。

限幅放大器由T1～T5构成。其中T1、T5为肖特基横向PNP管构成单端输入差分射极跟随输入级。T5的基极由二极管D1、D2正向压降(约1 V)提供稳定偏压，外信号从6脚输入到T1基极·即使振幅为o～5 V的TTI，电平信号输入时，T1、T5也不会出现饱和现象。外信号经T1、T5的射极送到T2、T3的基极。T2、T3和恒流源管T4、肖特基二极管D1、D2组成恒流源差分限幅放大电路。限幅电平取决于D1、D2正向导通压降，约0.3～0.4 V之间。限幅放大器实为单端输入双端输出恒流源差分电路。

功能

限幅放大器电路功能是输入信号较小时，限幅放大器处于线性放大工作状态，输出跟随输入线性变化；当输入信号达到某一电平时，输出将不随输入信号的增加而变化，而维持在一定值上，即处于限幅工作状态。常用于信号整形。过电压保护等。

在轨道运输方面限幅放大器是由双向限幅器、前级放大器和开关触发器三部分单元所构成。它担负着下列功能：

1.轨道电路是一种衰耗量变化很大的通道，因此在限放输入端的信号电平变化很大，这就要求限幅放大器能适应信号电平这种大幅度的变化。

2.轨道电路道床电阻为最小的情况下，接收端信号电压较小，它不足以直接动作解调器(鉴频器)，而必须将信号进行放大，并满足放大量的要求。

3.为了满足轨道电路长度的要求，必须要有一定的返还系数。

4.由于鉴频器的输出电压，随输入电压的变化而变化，因而造成选频放大器的通带不稳定。为了解决这个问题，在鉴频器的前面必须设一个限幅器，以满足接收设备输入信号变化的情况下，鉴频器输出电压保持恒定不变的要求。在上述四种功能中，第一个功能是由双向限幅器来完成，第二个功能是由前级放大器来完成，而第三和第四个功能是由开关触发器来完成。

特点

限幅放大器是数字传输系统中另一种类型的主放大器。限幅放大器的基本结构包括一组差分放大单元和一个直流反馈网络。ECL或SCFL电流放大器的非线性用于实现限幅功能。

与增益控制放大器相比，限幅放大器的限幅功能直接作用于每个单一脉冲。换句话说，限幅放大器能同时抑制慢速和快速的幅度变化。与自动增益控制放大器不同的是限幅放大器中不存在时间常数问题。基于这个观点，就抑制信号的幅度起伏而言，限幅放大器的功能更强。不仅如此，限幅放大器还具有以下优点：

1)基本单元的简化使得寄生参数减少，加上高电流增益和非线性结构的联合运用使限幅电路的工作速率更高。

2)由于减去了用于控制的逻辑电平，因而供电电压更小、功率损耗也更小。

3)由于基本单元电路更简单且不需要增益控制环，因而芯片设计更简单、芯片面积也更小。

4)由于外部元件更少，因而注入更简单。

工艺技术

图14.11给出了用0.3μmHEMT工艺实现的五级限幅放大器的框图14.13。图14.11给出了五级限幅放大器集成电路的芯片缩微照片。图14.13给出了限幅放大器的小信号增益和灵敏度随频率变化的曲线。从图中可以看出，低频范围内其小信号增益高于40dB大约从5GHz处开始下降。由于高增益和直接耦合，输入端的小电压偏移即会引起输出级进入饱和状态。图14.11所示的直流反馈网络用于使电路稳定。

作为限幅放大器，其大信号增益最让人感兴趣。大信号增益可以通过给定不同的输入信号电平，测量电路在不同的比特率或频率下的特性来获得。图14·14给出了输入电压为100mV时增益随频率变化的曲线。此时增益为17dB，-3dB带宽为17GHz。

限幅放大器的动态性能最终由眼图决定。图14.15给出了五级限幅放大器的眼图。根据可用的脉冲发生器可在三种测试条件下获得眼图：a)在K端施加10Gb/s的数字信号，在K端施加一直流电压，b)在Vi端施加-20Gb/s数字信号，在端施加-10GHz的正弦信号，c)在K端施加-17GHz的正弦信号，在Vi端施加一直流电压。从这些眼图中可以看出20Gb/s时眼图完全张开。

17GHz时幅度减小3dB。根据以上测量结果，限幅放大器有望获得比特率超过30Gb/s时增益超过15dB的性能。

需要提及的是这三种限幅放大器都采取了某些措施以提高其工作速率。其中第一和第三种运用了高频补偿，第二种运用了双极Sherry—Hooper结构。为了解决偏移问题，前两种限幅放大器运用了一种相似的直流反馈网络。第一种由于运用HEMT，其工作比特率最高、芯片面积最小且功率损耗最小。所有这些都是通过运用有源负载(耗尽型HEMT)、动态限幅电路及改进的工艺来获得的。

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