1 放大器定義、分類和選擇使用

1.1 放大器定義

放大器(Amplifier)： 能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)、功率放大的器件。比如一個(gè)3管腳的晶體管、一個(gè)8管腳的運(yùn)算放大器。

放大電路： 以放大器為核心，能夠?qū)崿F(xiàn)放大功能的電路組合。晶體管或運(yùn)算放大器加上電阻、電容等焊接到一起，組合為放大電路。

1.2 放大器的全家譜

放大器分為三種：晶體管放大器、運(yùn)算放大器、功能放大器。

1.2.1 晶體管

晶體管分為兩類：雙極型晶體管(Bipolar Junction Transistor)包括NPN型和PNP型、單極型晶體管(Field Effect Transistor)包括結(jié)型管(JFET)和金屬氧化物管(MOSFET)。詳細(xì)分類如圖所示：

圖片來源于《你好，放大器》

雙極型晶體管指晶體管內(nèi)部，既有電子運(yùn)動(dòng)形成電流，也有空穴運(yùn)動(dòng)形成電流，兩者運(yùn)動(dòng)方向相反，流向兩個(gè)不用的“極”。

單極型晶體管指晶體管內(nèi)部，只有空穴或者只有電子運(yùn)動(dòng)形成電流，流向單一的“極”。

晶體管可以組成常見的共射(源)極、共基(柵)極、共集電(漏)極放大電路，以及類型多變的多級(jí)放大電路。

1.2.2 運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器(運(yùn)放)是一個(gè)差分輸入、多級(jí)、直接耦合、高增益放大電路，用集成電路工藝生產(chǎn)在一個(gè)單芯片集成電路中。運(yùn)放包括差分輸入端，輸出端，供電電源端。運(yùn)算放大器分類如圖所示：

圖片來源于《你好，放大器》

標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放

按照負(fù)反饋理論，集成電路生產(chǎn)商只需要生產(chǎn)滿足如下要求的集成放大器，稱之為運(yùn)算放大器，即可實(shí)現(xiàn)用戶的一切要求：

運(yùn)放的開環(huán)增益非常大

運(yùn)放的輸入端沒有電流，即運(yùn)放具有極高的輸入阻抗

圖片來源于《你好，放大器》

圖中a是一個(gè)滿足要求的運(yùn)放，但是它不能正常使用，因?yàn)殚_環(huán)增益實(shí)在太大。

圖中b把輸出端通過兩個(gè)電阻分壓，引回到負(fù)輸入端，形成了負(fù)反饋，有下式成立：

得到任意兩個(gè)未知量之間的關(guān)系，得到：

式中Auf稱為閉環(huán)增益，就是運(yùn)放組成負(fù)反饋電路后的電壓增益

當(dāng)Auo很大時(shí)，得到：

上式說明，滿足一定條件時(shí)，反饋電路的增益僅與外部電阻R2、Rf有關(guān)，而與實(shí)際運(yùn)放的開環(huán)增益Auo無關(guān)。

上式說明，運(yùn)放在該情況下，同相輸入端加載的是信號(hào)Us，那么反相輸入端呈現(xiàn)出的電位非常接近Us，該現(xiàn)象即為“虛短”。

“虛短”不是運(yùn)放本身的特性，而是深度負(fù)反饋導(dǎo)致的必然結(jié)果。

全差分運(yùn)放

全差分運(yùn)放有差分輸入腳IN+和IN-，差分輸出腳OUT+和OUT-，如圖所示：

圖片來源于《你好，放大器》

與標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放的差別：全差分運(yùn)放的輸出也是差分的

當(dāng)在Vocm端接入一個(gè)電壓，那么差分輸出的兩個(gè)端子的共模電壓等于輸入的Vocm，如下公式：

可以理解為，兩個(gè)差分輸出端子，將圍繞輸入的Vocm波動(dòng)。

功能放大器

如果某個(gè)以運(yùn)放為核心的放大電路，非常常用，生產(chǎn)廠家會(huì)把這個(gè)放大電路進(jìn)一步集成，形成功能放大器。如下如所示減法器電路：

圖片來源于《你好，放大器》

功能放大器–儀表放大器

儀表放大器：高阻差分輸入，輸出有單端或差分，增益可以用一個(gè)外部電阻。常用于儀器儀表的最前端，和傳感器直接接觸。儀表放大器內(nèi)部通常具有2個(gè)或多個(gè)運(yùn)放，典型的是3運(yùn)放結(jié)構(gòu)。

如圖所示ADI8221，兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端：

圖片來源于《你好，放大器》

儀表放大器具有極高的共模抑制比，對(duì)信號(hào)的差值極為敏感而對(duì)共模量不敏感，還有極高的輸入阻抗。輸入管腳工作限制：

不得懸空

不能承載太高的電壓

功能放大器–差動(dòng)放大器

差動(dòng)放大器：由一個(gè)運(yùn)放和若干個(gè)激光校準(zhǔn)電阻對(duì)集成在一起的電路，其中的電阻值選擇均以容易形成差動(dòng)放大器為目的。AD8276包含4個(gè)、5個(gè)或6個(gè)激光校準(zhǔn)的電阻，主要用于信號(hào)減法、精確增益、信號(hào)的差分轉(zhuǎn)單端、電平移位等。

如圖所示AD8270，內(nèi)部由兩個(gè)獨(dú)立的差動(dòng)放大器組成，每個(gè)差動(dòng)放大器有7個(gè)電阻：

圖片來源于《你好，放大器》

功能放大器–程控增益放大器

放大器的增益可以通過數(shù)字信號(hào)設(shè)定，或者可以用處理器程序設(shè)定，稱為程控增益放大器。放大器的增益設(shè)定，有多個(gè)管腳配合設(shè)定2進(jìn)制增益的，也有通過數(shù)字通信接口給放大器寫入命令的。

ADI公司生產(chǎn)的程控增益放大器主要分為：低頻段的精確增益型、高頻段的精確增益型。低頻段的AD8231和高頻段的AD8366如圖所示：

圖片來源于《你好，放大器》

程控增益放大器主要用于被測(cè)信號(hào)幅度變化較大且不可事先預(yù)知的情況，如果信號(hào)變化范圍過大，可以用程序?qū)崿F(xiàn)增益的縮減，最終使得放大器處于隨時(shí)可調(diào)的最佳增益狀態(tài)。

功能放大器–壓控增益放大器

放大器的增益由外部施加的電壓Vg連續(xù)控制，分為dB線性和V/V線性。正控制，Vg越大，增益越大;負(fù)控制，Vg越大，增益越小。

dB線性： 以dB為單位的放大器增益，與控制電壓Vg成線性關(guān)系。即每相同的控制電壓增量，獲得相同的以dB為單位的增益改變。

V/V線性： 電壓增益V/V，與控制電壓Vg成線性關(guān)系。即每相同的控制電壓增量，獲得相同的增益倍數(shù)改變。

如圖所示，AD602和AD8367兩款壓控增益放大器：

圖片來源于《你好，放大器》

AD602是一款應(yīng)用廣泛的獨(dú)立雙通道壓控增益放大器，每個(gè)通道由壓控衰減環(huán)節(jié)、固定增益環(huán)節(jié)級(jí)聯(lián)組成，差分輸入的C1HI和C1LO作為控制電壓Vg，可實(shí)現(xiàn)10dB~30dB的dB線性。

AD8367功能更為強(qiáng)大，500MHz內(nèi)實(shí)現(xiàn)-2.5dB~42.5dB的dB線性壓控放大，且正、負(fù)控制靠MODE腳設(shè)定，內(nèi)嵌輸出有效值檢測(cè)。

功能放大器–隔離放大器

實(shí)現(xiàn)放大器輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的電氣隔離，實(shí)現(xiàn)方法有：變壓器型、光電耦合器型、電容型。如圖所示AD202，左邊是信號(hào)輸入?yún)^(qū)域，右邊是輸出區(qū)域，兩個(gè)區(qū)域時(shí)完全隔離的，僅能通過上部的信號(hào)變壓器、下部的電源變壓器實(shí)現(xiàn)信號(hào)和能量的傳遞，兩區(qū)域之間的隔離電壓高達(dá)2000V。

圖片來源于《你好，放大器》

需要特別注意，隔離放大器只能放大低頻信號(hào)，該AD202只有2kHz的帶寬。

1.3 選擇放大器的原則

任何一個(gè)運(yùn)算放大器或者功能放大器，內(nèi)部都以若干個(gè)晶體管為主組成，所以，要實(shí)現(xiàn)某個(gè)放大電路，如果高級(jí)放大器(運(yùn)算放大器)能夠?qū)崿F(xiàn)，那么低級(jí)放大器(晶體管放大器)也一定能夠?qū)崿F(xiàn)

選擇放大器的原則：

沒有一成不變的原則，所以選擇都因事而異、因時(shí)而異。

一般情況下，使用多數(shù)人選擇的或芯片生產(chǎn)商提供的。

一般情況下，能夠采用合適的高級(jí)放大器，就不選用低級(jí)放大器。

不要以全分立為榮，用晶體管實(shí)現(xiàn)超級(jí)復(fù)雜的電路;也不要抨擊分立元器件，以使用最新的高級(jí)功能放大器為榮。

能用低級(jí)放大器就不用高級(jí)放大器，能用通用的高級(jí)放大器就不用特殊的高級(jí)放大器。