放大器定義、分類和選擇使用

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、功率放大的器件。比如一個3管腳的晶體管、一個8管腳的運算放大器。

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，既有電子運動形成電流，也有空穴運動形成電流，兩者運動方向相反，流向兩個不用的“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動形成電流，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放大電路。

1.2.2 運算放大器

運算放大器(運放)是一個差分輸入、多級、直接耦合、高增益放大電路，用集成電路工藝生產(chǎn)在一個單芯片集成電路中。運放包括差分輸入端，輸出端，供電電源端。運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，稱之為運算放大器，即可實現(xiàn)用戶的一切要求：

運放的開環(huán)增益非常大

運放的輸入端沒有電流，即運放具有極高的輸入阻抗

圖片來源于《你好，放大器》

圖中a是一個滿足要求的運放，但是它不能正常使用，因為開環(huán)增益實在太大。

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

得到任意兩個未知量之間的關(guān)系，得到：

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

當(dāng)Auo很大時，得到：

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

上式說明，運放在該情況下，同相輸入端加載的是信號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。

全差分運放

全差分運放有差分輸入腳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)運放的差別：全差分運放的輸出也是差分的

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

可以理解為，兩個差分輸出端子，將圍繞輸入的Vocm波動。

功能放大器

如果某個以運放為核心的放大電路，非常常用，生產(chǎn)廠家會把這個放大電路進(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個或多個運放，典型的是3運放結(jié)構(gòu)。

如圖所示ADI8221，兩個輸入端，一個輸出端：

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，對信號的差值極為敏感而對共模量不敏感，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–差動放大器

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

如圖所示AD8270，內(nèi)部由兩個獨立的差動放大器組成，每個差動放大器有7個電阻：

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信號幅度變化較大且不可事先預(yù)知的情況，如果信號變化范圍過大，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)用廣泛的獨立雙通道壓控增益放大器，每個通道由壓控衰減環(huán)節(jié)、固定增益環(huán)節(jié)級聯(lián)組成，差分輸入的C1HI和C1LO作為控制電壓Vg，可實現(xiàn)10dB~30dB的dB線性。

AD8367功能更為強(qiáng)大，500MHz內(nèi)實現(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。

功能放大器–隔離放大器

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