半導體放大器中的反饋分析

摘 要：半導體放大器在光通信網中最主要的優勢是用于線路放大器上，在大多數的放大器系統中，為了保證得到良好的增益效果，一般加入了反饋機制來對放大器增益進行提高和控制，本文即針對于半導體放大器中的反饋機制展開分析，探索半導體放大器的工作原理和反饋特性，并應用到為今后的科研與工作之中。

關鍵詞：半導體放大器；反饋；增益

中圖分類號：TN722.77 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 22-0000-01

一、半導體放大器工作原理

半導體放大器中存在著導帶和價帶兩種能帶，因此，當注入偏置電流補充載流子，會使得電子占據導帶的位置，而空穴將占據價帶的位置。自發或受激輻射可以使導帶中的電子向價帶上面躍遷，同時將使得具有相應能量的光子釋放出來。如果釋放出來的光子能夠在傳輸方向、頻率、偏振態和相位等方面具有相同的信息，并且輸入光子在半導體放大器中受激輻射后產生的新的光子又能夠引發更多的受激輻射。這種情況稱之為光增益。然而在受激輻射發生的同時，自發輻射也伴隨著發生，但實質上自發輻射產生的光子的相位、傳輸方向和偏振態等都是隨機的，并且對光增益中的載流子會產生消耗，因此一定程度上，這類光子被看作是不可消除的噪聲。

二、半導體光放大器基本特性

（1）增益特性。作為放大器，其重要的一個特性就是增益。而關于半導體放大器的增益特性可以分為兩類，分別為光纖到光纖的增益和端到端的增益。端到端的增益乘以輸入輸出耦合損耗即可得到光纖到光纖的增益。對于不同參數的SOA，其材料、結構和工作參數等都可能會影響到增益的效果。（2）偏振相關特性。一般情況下，半導體放大器的偏振相關特性是由波導結構、增益介質以及增透膜的偏振相關性等因素所決定的。SOA的增益在一定情況下會受到輸入信號的偏振相關特性的影響。此外，SOA的增益偏振相關性會引起相位的偏移，并且隨著溫度和應力等因素的影響，半導體放大器的增益偏振相關性會發生起伏，這種起伏是隨機的，會對通信系統產生不利的影響。（3）動態特性。在半導體放大器中，增益飽和效應響應速率較快，但是增益動態特性將會使信號產生畸變，當處理高速信號時，產生的畸變會更加嚴重。多波長系統中的增益特性會使得信道產生串擾。（4）噪聲系數。半導體放大器的噪聲一般包括自發輻射噪聲、拍頻噪聲和散粒噪聲等，用輸出信號的信噪比除以輸入信號的信噪比得到噪聲系數，噪聲系數是對半導體放大器的噪聲特性進行衡量。由于噪聲在數學上是一個隨機過程，因此可以通過物理上光子統計方程來進行分析。通常情況下半導體放大器的內部噪聲系數為7-12dB，若加入輸入輸出的耦合消耗，半導體放大器的噪聲系數可以達到10-15dB。

三、半導體放大器的反饋分析

半導體放大器為了對放大器的頻率特性、穩定性以及失真特性進行改善，往往在半導體放大器中加入負反饋電線路。所謂反饋，即是指將經過放大后一部分輸出信號再返回到輸入端，用來對輸入端信號的增益進行調整的過程。若輸入信號與反饋過來的信號在方向上一直，那么這種反饋機制被稱為負反饋。相反，如反饋信號與輸入信號方向相反，則稱之為正反饋。由于半導體是一種電流控制元件，不同于一般的電子管元件，因此在半導體電路中進行反饋時，不能僅僅反饋單個的電壓值，而需要將電流同時從輸出端返回到輸入端。在此過程中會對功率進行一定量的損耗。

反饋網絡是通過形成一個叫做反饋環的環路來使系統的輸入和輸出產生聯系。一種情況下，在系統中未加反饋的時候，無法構成環路，即成為開環系統，此時輸入信號Xi將直接進入基本放大器之中，輸出后的為X0，表達式為X0=AXi。其中基本放大器的增益用A來表示，A又稱作為開環增益。另一種情況，當系統中加入反饋網絡時，此時系統成為了閉環系統，此時由于有了反饋網絡的增益B，因此在放大器的輸入端，輸入的信息為Xi-BX0。此時放大器的增益為Af，其數值等于輸出與輸入之比。

加入反饋系統的放大器的表達式可由上式表示，上述表達式對開環增益和閉環增益的關系進行了描述，在此式中，一般情況下A、B的值為復數，受頻率變化的影響。這就導致放大器增益Af也受到頻率變化的影響。如果AB的值為負數，并且1-AB的值大于1，那么在中頻情況下，閉環增益減小，對于放大器系統來說，相當于是負反饋。如果AB的值大于0，且1-AB的值小于1，那么，此狀態下放大器的增益會增加，相當于是正反饋。然而，當AB大于0，但是AB的值大于1時，該表達式就會失效，系統進而進入自激狀態。以上是對放大器反饋的分析。由于負反饋能夠使放大器性能在一定程度上到提升，因而反饋系統在放大器中的應用變得非常廣泛。

（1）影響增益效果。由于開環狀態下放大器增益波動較大，加入負反饋之后可以使得放大器的閉環增益趨于穩定，在上述表達式中可以看出，在A和B的乘積的絕對值遠大于1時，閉環增益可以近似等于B的倒數，即基本不受開環增益A的影響，因此只要選擇合適的反饋網絡，放大器的增益就基本恒定。正反饋的作用是使放大器增益提高，而負反饋的作用是使增益穩定。（2）影響放大器輸出和輸入阻抗。由于輸入端信號的混合方式不同，導致放大器輸入的阻抗值也會發生變化。在負反饋網絡中，電流混合使得輸入阻抗降低，而對電壓進行混合則會使輸入阻抗得到提高。放大器的輸出阻抗則更多的受到輸出信號的取樣方式的影響。在負反饋網絡中，電流取樣和電壓取樣會分別使得輸出阻抗增高和降低。（3）對放大器的非線性失真的影響。負反饋網絡加入到放大器中會使得非線性失真減小，但是對于運用范圍較大的輸入信號時，負反饋網絡也無法使得非線性失真得到減少。（4）影響通頻帶。加入了正反饋網絡的放大器雖然在增益方面有較好的表現，但是會使得頻帶變窄，影響系統的穩定性。而加入負反饋網絡的放大器，則會擴展通頻帶，使幅頻特性變得平坦。

四、結束語

在半導體放大器中加入反饋，會使得放大器增益發生改變，正反饋可以使得放大器增益加大，而負反饋則可以使增益趨于穩定。除早期的再生式高頻放大器外，一般放大器很少采用正反饋。由于特性較好，負反饋在半導體放大器中的應用越來越廣泛。

參考文獻：

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