电子基础系列-放大器的那些点滴
放大器的那些点滴
- 序
- 常见术语
- 常见放大器类型
- 常见电路
- 1、电压跟随器
- 2、比例放大器
- 反相比例放大器
- 同相比例放大器
- 3、比较器
- 4、加法器
- 5、差分放大器
- 6、滤波器
- 7、积分器
- 8、微分器
- 9、其他
- 设计建议
- 确定设计目标
- 选择适当的拓扑结构
- 选择适当的放大器器件
- 电路参数计算
- 仿真验证
- PCB设计
- 实验测试
- 总结和优化
- 结语
序
放大器是电子电路中常用的一种电路元件，用于将输入信号放大到一定的幅度，通常以增益来表示。分为线性放大器和非线性放大器两种类型。
常见术语
在学习放大器的相关知识时，会经常遇到以下名词：
- 增益(Gain)：放大器输出信号与输入信号之比，通常用分贝(dB)表示。
- 带宽(Bandwidth)：指放大器能够放大的信号频率范围，通常定义为增益下降到-3dB时的频率范围。
- 输入电阻(Input Resistance)：放大器输入端的电阻，通常用欧姆(Ω)表示，表示输入信号的负载特性。
- 输出电阻(Output Resistance)：放大器输出端的电阻，通常用欧姆(Ω)表示，表示输出信号的驱动特性。
- 偏置(Bias)：放大器直流输入偏差，多数用于在输入信号中去除直流分量，通常用直流电压表示。
- 偏置电阻(Bias Resistor)：用于控制放大器输入端的偏置电压的电阻。
- 偏置电流(Bias Current)：放大器输入端的偏置电流，通常用安培(A)表示，常用于直流放大器的设计。
- 偏置电压温漂(Bias Voltage Temperature Coefficient)：放大器偏置电压随温度变化的变化率，通常用毫伏每摄氏度(mV/℃)表示。
- 偏置电流温漂(Bias Current Temperature Coefficient)：放大器偏置电流随温度变化的变化率，通常用安培每摄氏度(A/℃)表示。
- 共模电压(Common Mode Voltage)：输入信号的共同参考电压。
- 共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio, CMRR)：放大器对共模信号的抑制能力，通常用分贝(dB)表示。
- 温度系数(Temperature Coefficient)：放大器的增益或其他特性随温度变化的变化率，通常用百万分之一每摄氏度(PPM/℃)表示。
- 失真(Distortion)：指输出信号与输入信号存在不同程度的畸变现象，通常分为非线性失真和线性失真两种类型，常见的失真类型包括谐波失真、交叉失真、截止失真等。失真问题通常需要通过调整电路中的参数、优化放大器架构等方法来解决。
- 噪声(Noise)：指在放大器中存在的随机信号，通常使用噪声系数和等效输入噪声温度来描述放大器的噪声特性，为了减少噪声，可以采用一些措施，如滤波、提高信号强度等。
- 频率响应(Frequency Response)：指放大器在不同频率下的增益情况。通常使用截止频率和通频带来描述放大器的频率响应特性。
常见放大器类型
根据放大器电路中元器件之间不同的连接方式，会有以下的一些放大器类型：
- 电压放大器（Voltage Amplifier，VA）：电压放大器是一种基本的放大器，其输入为电压信号，输出也是电压信号。电压放大器的放大倍数取决于反馈电路的参数设置，可以实现高增益和低失真。
- 电流放大器（Current Amplifier，CA）：电流放大器的输入为电流信号，输出也是电流信号。电流放大器主要用于需要放大小信号电流的场合。
- 电阻负反馈放大器（Voltage Feedback Amplifier，VFA）：电阻负反馈放大器采用电阻器作为反馈元件，通过改变反馈电路的参数，可以改变放大器的增益、带宽和输入电阻等特性。
- 电容负反馈放大器（Current Feedback Amplifier，CFA）：电容负反馈放大器采用电容作为反馈元件，具有高的带宽和低的失真，主要用于高频放大和运算放大器的设计。
- 差分放大器（Differential Amplifier）：差分放大器是一种能够放大两个输入信号之间差异的放大器，可以用于增益、滤波、调幅调频解调等应用。
- 运算放大器（Operational Amplifier，Op-Amp）：运算放大器是一种高增益、高输入阻抗、低输出阻抗、差分输入和单端输出的放大器，可以用于信号放大、滤波、比较、积分、微分等各种应用。运算放大器的基本拓扑结构包括反馈式和开环式，其中反馈式的稳定性和可控性更好。
- 分布式放大器（Distributed Amplifier）：分布式放大器采用分布式元件作为传输线路，可以实现宽带、高增益、低噪声的放大器性能，主要用于射频和微波电路的设计。
- 限幅放大器（Clipping Amplifier）：限幅放大器可以将输入信号限制在一定范围内，常用于信号处理、音频电路和保护电路中。
常见电路
将简单介绍一些常见的放大器应用电路，对于具体的应用时，一般会需要改进相应的电路设计，或直接采用带该功能的集成芯片，以减少外部的干扰等等，开始吧~
1、电压跟随器
电压跟随器（voltage follower）也称为缓冲放大器（buffer amplifier），它是一种特殊的电压放大器，其放大倍数为1，输出电压与输入电压完全一致，但能够提供更大的电流输出能力。因此，电压跟随器通常用于保持电路的输入阻抗，消除信号源的输出电阻对负载的影响，以及提供驱动能力，以满足负载的要求。
电压跟随器电路的基本结构如下图所示：
其中，Vin为输入信号，Vout为输出信号。
电压跟随器的输出电压与输入电压几乎完全相同，差别只在于输出电压略小于输入电压一个微小的失调电压。这是因为运算放大器的输入电阻很大，而输入电流很小，所以可以将输入电压几乎完全传递到输出端。
电压跟随器通常用于如下情况：
1.输入电阻很高的电路，如传感器、低电平信号处理等。
2.需要将输入信号复制到多个负载电路中，以免影响前级电路。
3.需要对电路进行隔离，以保护前级电路免受负载的影响。
2、比例放大器
比例放大器是一种常见的放大器电路，它可以将输入信号的大小按照一定的比例放大输出，常用于放大传感器等低电平信号。
一般由一个运算放大器和几个电阻组成，放大倍数可以通过电阻的选择来实现。运算放大器作为比例放大器的核心部件，其特点是具有高的输入阻抗、低的输出阻抗、大的增益和高的共模抑制比。
反相比例放大器
输出值计算公式为：
其中放大倍数Af为：
A f = − R f / R i n A_f=-R_f/R_in Af=−Rf/Rin
同相比例放大器
输出值计算公式为：
其中放大倍数Af为：
A f = ( 1 + R 2 / R 1 ) A_f=(1+R_2/R_1) Af=(1+R2/R1)
需要注意的是，运算放大器的输出电压有一个最大值，通常称为饱和电压，当输出电压达到饱和电压时，输出信号将不再跟随输入信号变化，因此需要根据实际应用场景合理选择运算放大器和反馈电阻的值。
3、比较器
将一个输入信号与一个参考电平进行比较，输出高电平或低电平信号。
参考电压为R1和R2的分压值，当Input电压达到参考电压之上时，Output为高电平，反之为低电平，电平大小由放大器的供电以及本身特性决定，如轨对轨类型，高电平则为电源值。
4、加法器
将两个或更多的信号相加。它通常用于混音、数字信号处理和模拟信号处理等应用。加法器的输出是所有输入信号的总和。有些加法器还支持信号的加权相加，即每个输入信号都可以乘以一个权重系数后再相加。
上图为同相加法器，Uo的输出值计算式：
U o = ( 1 + R 4 R 3 ) ∗ R 2 ∗ U i 1 + R 1 ∗ U i 2 R 1 + R 2 U_o=(1+\frac{R_4}{R_3})*\frac{R_2*U_{i1}+R_1*U_{i2}}{R_1+R_2} Uo=(1+R3R4)∗R1+R2R2∗Ui1+R1∗Ui2
5、差分放大器
将两个信号相减并放大差值的电路。它通常用于信号的差分放大、微弱信号的放大和共模噪声抑制等应用，如：测量传感器信号、音频处理。
差分放大计算：
V o u t = ( R 1 + R 2 R 3 + R 4 ) ∗ R 4 R 1 ∗ V 2 − R 2 R 1 ∗ V 1 V_{out}=(\frac{R_1+R_2}{R_3+R_4})*\frac{R_4}{R_1}*V_2-\frac{R_2}{R_1}*V_1 Vout=(R3+R4R1+R2)∗R1R4∗V2−R1R2∗V1
当使用R1=R3，R2=R4的特殊配置时
V o u t = R 2 R 1 ∗ ( V 2 − V 1 ) V_{out}=\frac{R_2}{R_1}*(V_2-V_1) Vout=R1R2∗(V2−V1)
6、滤波器
可以对输入信号进行滤波处理，将某些频率范围内的信号通过，并将其他频率范围内的信号抑制或滤除。通常用于信号处理、放大、调制和解调等应用。根据其特性和传递函数，滤波器可以分为低通、高通、带通和带阻滤波器等不同类型。
示例：有源低通滤波器
截止频率（Hz）定义为：
f c = 1 2 π R 2 C f_c=\frac{1}{2\pi R_2C} fc=2πR2C1
弧度单位（rad/s）则为：
w c = 1 R 2 C w_c=\frac{1}{R_2C} wc=R2C1
通带增益：
A = − R 2 R 1 A=-\frac{R2}{R1} A=−R1R2
7、积分器
将输入信号积分，得到输出信号，通常使用电容来实现积分。电容的电压随着时间的推移而变化，因此输出信号的幅度和输入信号的时间积分成正比，可用于滤波、调整直流偏置等。
u 0 = − 1 R C ∫ u I d t u_0=-\frac{1}{RC}\int{u_Idt} u0=−RC1∫uIdt
以下是阶跃信号、方波和正弦信号做输入时，积分器输出的信号波形：
8、微分器
通常使用电阻和电容来实现微分。电容通过电流积分电压，电阻通过电压积分电流，因此输出信号的幅度与输入信号的时间微分成正比。微分放大器通常用于信号处理中，例如滤波和频率分析。
u 0 = − R C d u I d t u_0=-{RC}\frac{d{u_I}}{dt} u0=−RCdtduI
输入方波时，微分器的效果：
9、其他
就简单介绍这八种基本电路，基于这几种还会有各种衍生的设计，如比较器，就还有窗口比较、迟滞比较等等，花样很多；此外还能组合得到其他电路，如：移相器、振荡器等等。
设计建议
以下是一些基于项目性的建议，可供参考：
确定设计目标
在开始设计之前，需要确定放大器的目标，如增益、带宽、输入和输出阻抗等。这将有助于确定放大器的电路结构和电路参数。
选择适当的拓扑结构
常见的有包括差分放大器、共源共极放大器、共源放大器、共漏放大器、共基放大器等。根据不同的应用场景和设计目标选择适当的拓扑结构。
选择适当的放大器器件
根据放大器的工作条件和要求选择适当的放大器器件。例如，对于高增益放大器，可以选择低噪声放大器器件，对于高速放大器，可以选择高频率响应的器件。
电路参数计算
仿真验证
在进行实际电路设计之前，可以通过电路仿真软件进行仿真验证，以确保电路设计满足设计要求。
PCB设计
实验测试
完成PCB设计后，进行实验测试，验证电路性能和参数是否符合设计要求。
总结和优化
在具体的电路设计过程中，还需要注意一些细节问题，如输入和输出信号的匹配、电路的稳定性、对噪声和干扰的抑制等等。这些都需要根据实际情况进行综合考虑。
结语
本篇关于放大器的基础知识就浅尝辄止了~
对于刚学模拟硬件的小伙伴来说，运放的学习之路还很长~
与君共勉~
加油！
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