1毛錢“變成”100塊或許只是個(gè)美夢(mèng)，但我們電子工程師卻能輕松將1mV的信號(hào)放大1,000倍。本期，貿(mào)澤科普實(shí)驗(yàn)室上“才藝”，直接展示——

01什么時(shí)候信號(hào)需要放大？

當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度無(wú)法滿足后續(xù)電路的識(shí)別、處理或傳輸要求時(shí)，就需要放大信號(hào)，核心判斷標(biāo)準(zhǔn)是：信號(hào)“夠不夠用”，下面這幾種情況就需要放大：

1. 信號(hào)強(qiáng)度低于接收設(shè)備的“門檻”

許多傳感器或信號(hào)源的信號(hào)比較弱，而后續(xù)電路有極低可識(shí)別的閾值。比如ADC的輸入電壓范圍通常是 0~3.3V或0~5V，如果原始信號(hào)只有幾十μV，ADC就分辨困難。還有麥克風(fēng)輸出的音頻信號(hào)可能只有幾mV，而功放芯片需要達(dá)到一定值才能驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，這些時(shí)候就必須先放大信號(hào)了。

圖1

2. 傳輸過(guò)程中，信號(hào)被噪聲影響

通過(guò)線纜、無(wú)線信道傳輸，微弱信號(hào)容易被環(huán)境噪聲，簡(jiǎn)單的理解，就像在嘈雜的環(huán)境里小聲說(shuō)話，對(duì)方聽(tīng)不清，必須使用喇叭，提高音量一樣，在信號(hào)放大上，這種叫提高信噪比，接收端必須先放大，才能從噪聲中提取有效信號(hào)。

3. 后續(xù)電路需要特定幅度的信號(hào)

有些電路對(duì)輸入信號(hào)的幅度有明確要求，比如模擬濾波器需要輸入信號(hào)達(dá)到一定幅度才能正常工作，否則濾波效果會(huì)失真。

02信號(hào)放大有哪些方式？

今天主要為大家介紹兩種常用的信號(hào)放大方式：第一種是采用分立器件搭建放大電路，第二種則是利用“黑盒子”運(yùn)算放大器。

先來(lái)說(shuō)說(shuō)分立器件的方式：

晶體管放大電路以雙極型晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管為核心放大器件，通過(guò)合理配置偏置電路和負(fù)載，能夠有效放大微弱的電信號(hào)。例如“共射單管放大電路”，就是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的放大器，非常適用于對(duì)低頻和中頻信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)易放大。

圖2

其中，R1和R2組成分壓電路，為三極管Q1的基極提供穩(wěn)定的直流偏置電壓；C3是輸入耦合電容，隔離輸入信號(hào) VI中的直流分量；C4是輸出耦合電容，隔離放大后的直流分量；Rc是集電極電阻，將三極管的集電極電流變化轉(zhuǎn)換為電壓變化。Re是發(fā)射極電阻，用于穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，Rc和Re確定電路的電壓放大倍數(shù)。

在實(shí)際使用中，關(guān)鍵之處就是對(duì)各個(gè)元件的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，也就是直流分析和交流分析，確保電路正常工作、防止信號(hào)失真的核心參數(shù)。

直流分析，也就是靜態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算，是三極管無(wú)信號(hào)輸入時(shí)的直流電壓和電流參數(shù)，決定了電路是否能正常放大，以上圖中電路的參數(shù)為例，進(jìn)行計(jì)算。

確定基極偏置電壓，VB=R2/(R1+R2)*VCC，帶入原理圖中的數(shù)值得出，VB=2.16V；

計(jì)算發(fā)射極電壓，根據(jù)三極管手冊(cè)得知，VBE≈0.7V，VE=VB?VBE≈2.16V?0.7V=1.46V；

計(jì)算發(fā)射極電流，IE=VE/Re≈1.46V/2K≈0.73mA；

計(jì)算集電極電流，放大區(qū)中IC≈IE，所以IC≈IE≈0.73mA；

計(jì)算集電極電壓，VC=12V?IC*Rc≈12V?0.73mA×10K=4.7V

計(jì)算管壓降，VCE=VC?VE≈4.7V?1.46V=3.24V；

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，VBE取0.7V時(shí)，VB>VE，且 VC>VB，三極管工作在放大區(qū)。

通過(guò)靜態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算，確定了這個(gè)點(diǎn)是可以放大的，但是能放大多少倍，就需要對(duì)電壓放大倍數(shù)進(jìn)行確認(rèn)，也就是交流分析。電壓放大倍數(shù) AV 反映電路對(duì)交流信號(hào)的放大能力，在這個(gè)電路中，AV =V0/VI=Rc/Re，計(jì)算得出放大倍數(shù)約等于5倍，另外，如果Re的值增大，則AV減小，所以認(rèn)為這個(gè)電路中Re引入了負(fù)反饋，因此，稱Re為發(fā)射極反饋電阻，有抑制因hFE的分散性和VBE的溫度變化而產(chǎn)生的發(fā)射極電流變化的作用。

這種單管的放大倍數(shù)有限，而且計(jì)算復(fù)雜，要提高放大倍數(shù)就要重新計(jì)算各個(gè)工作點(diǎn)的電壓。其實(shí)還有一種辦法，可以在不破壞直流電位關(guān)系的前提下，提高交流增益，就是在Re上并聯(lián)一個(gè)旁路電容，這樣一來(lái)，發(fā)射極到GND之間的交流電阻變小，增加了交流放大倍數(shù)，此時(shí)，在理想情況下的AV≈hFE。

圖3

通過(guò)上面對(duì)共射單管放大電路的實(shí)驗(yàn)，單管放大確實(shí)是沒(méi)有問(wèn)題的，但是在測(cè)試過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，晶體管放大電路的單管放大倍數(shù)有限，通常只有幾十到幾百倍。那有沒(méi)有辦法再次提高晶體管的放大倍數(shù)呢？

既然單管放大電路能夠?qū)崿F(xiàn)幾十到幾百倍，如果多串幾個(gè)單管，是不是就可以實(shí)現(xiàn)更高放大倍數(shù)？確實(shí)是這樣，這就是多級(jí)放大電路，組成多級(jí)放大電路的每一個(gè)基本放大電路稱為一級(jí)，級(jí)與級(jí)之間的連接稱為級(jí)間耦合。多級(jí)放大電路有四種常見(jiàn)的耦合方式分別是直接耦合、阻容耦合、變壓器耦合和光電耦合。

下圖就是常見(jiàn)的直接耦合，各級(jí)之間的直流通路相連，因而靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響，這樣就給電路的分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來(lái)一定的困難。不過(guò)，直接耦合放大電路的突出優(yōu)點(diǎn)是具有良好的低頻特性，可以放大變化緩慢的信號(hào)，并且由于電路中沒(méi)有大容量電容，所以易于將全部電路集成在一片硅片上，構(gòu)成集成放大電路。

圖4

多級(jí)放大解決了單管放大的缺點(diǎn)，但是，使用起來(lái)還是比較復(fù)雜的，為了彌補(bǔ)這些不足，所以集成運(yùn)算放大器就出現(xiàn)了。

運(yùn)放就像一個(gè)黑盒子，內(nèi)部是由多個(gè)晶體管、電阻等元件通過(guò)半導(dǎo)體工藝集成在單一芯片上的高性能模擬集成電路。

這個(gè)就是經(jīng)典雙運(yùn)算放大器LM358內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，內(nèi)部電路十分復(fù)雜，但整體可拆解為輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路四部分，各部分分工明確，共同實(shí)現(xiàn)“高增益、低噪聲、寬頻帶”的放大性能。

圖5

LM358內(nèi)部結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜，但使用時(shí)僅需要少數(shù)外部元件就可以快速搭建需要的小信號(hào)放大電路。我們就用LM358實(shí)現(xiàn)同相、反相、差分放大以及電壓跟隨器功能。

首先，是LM358實(shí)現(xiàn)同相比例放大，電路如下圖所示，輸入信號(hào)是加在同相輸入端，且輸入波形和輸出波形的相位是相同的。

它的增益G=Vout/Vin=（1+R2/R1），所以Vout=（1+R2/R1）*Vin，在傳感器信號(hào)放大和音頻放大中都可以見(jiàn)到它的身影。

圖6

LM358實(shí)現(xiàn)反相比例放大，顧名思義輸入信號(hào)是加在反相輸入端，且輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相位相反，相位差為180度。

它的增益G=-Vout/Vin=-（R2/R1），所以 Vout=-（R2/R1）*Vin。反相放大主要應(yīng)用在信號(hào)反相、電流-電壓轉(zhuǎn)換中。

圖6

將信號(hào)同時(shí)連接到LM358的兩個(gè)輸入端，就能構(gòu)成差分放大電路。差分放大電路是對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)的 “差值” 進(jìn)行放大，當(dāng)R1=R2，R3=R4時(shí)，它的輸出Vout=R3/R1(V2-V1)。差分放大電路的應(yīng)用場(chǎng)景也很多，像存在干擾的場(chǎng)景，尤其在模擬電子和工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用很多。

圖7

而后是電壓跟隨，在信號(hào)隔離、負(fù)載驅(qū)動(dòng)、基準(zhǔn)緩沖等電路中尤其重要。電壓跟隨電路通常不需要外部組件，提供高輸入阻抗和低輸出阻抗，是很有用的緩沖器。這時(shí)的運(yùn)放輸入和輸出電壓相等，輸入變化會(huì)產(chǎn)生等效的輸出電壓變化，即Vout=Vin，當(dāng)然也可以認(rèn)為它是增益為1的同相比例放大電路。

圖8

上面這幾種是集成運(yùn)放的基本使用方法，集成運(yùn)放還有非常豐富的另類用法。例如可以實(shí)現(xiàn)比較器、振蕩器、有源濾波器等功能，下面就擴(kuò)展一些比較經(jīng)典的用法。

首先就是作為比較器，雖然現(xiàn)在有專門的比較器芯片，但是在一些設(shè)計(jì)中，也可以使用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。

比較器是運(yùn)放的一種非線性形態(tài)，具有兩個(gè)模擬電壓輸入U(xiǎn)+和U-，一個(gè)數(shù)字狀態(tài)輸出端UO，輸出端只有兩種狀態(tài)，用以表示兩個(gè)輸入端電位的高低關(guān)系。其中的 UH 代表高電平，UL 代表低電平，具體的電位值，取決于系統(tǒng)的定義。比如常見(jiàn)的數(shù)字系統(tǒng)中，有用 3.3V 代表高電平，0V 代表低電平，也有用 +12V 代表高電平，-12V 代表低電平。它們無(wú)非就是兩個(gè)可以明顯區(qū)分的電位。當(dāng)U+>U-，輸出UO=UH，當(dāng)U+

圖9

基于上述邏輯，可以實(shí)現(xiàn)過(guò)零比較器、滯回比較器等功能電路。

運(yùn)放實(shí)現(xiàn)振蕩電路的核心原理是利用正反饋使電路滿足 “自激振蕩條件”，即輸出信號(hào)經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)回授到輸入端，持續(xù)維持一定頻率和幅值的振蕩，無(wú)需外部輸入信號(hào)。這個(gè)就是使用741運(yùn)放設(shè)計(jì)的一個(gè)正弦波振蕩器，我們還可以使用運(yùn)放自制一個(gè)多功能的信號(hào)發(fā)生器。

圖10

聊一聊運(yùn)放如何構(gòu)成濾波電路，我們知道非常簡(jiǎn)單的無(wú)源濾波元件就是電容和電感了，如果再與有源器件結(jié)合，如運(yùn)算放大器、三極管，這樣就構(gòu)成有源濾波電路。通常，按照濾波電路的工作頻帶為其命名，分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器和全通濾波器，具體的區(qū)別這里就不闡述了。

下圖就是一個(gè)有源一階低通濾波電路，有源濾波器的運(yùn)放不僅能補(bǔ)償信號(hào)衰減，還能提供增益，同時(shí)運(yùn)放的高輸入阻抗、低輸出阻抗特性，隔離了負(fù)載對(duì)濾波網(wǎng)絡(luò)的影響，讓濾波性能更穩(wěn)定。

圖11

以上，為大家科普放大電路知識(shí)。隨著集成運(yùn)放的價(jià)格越來(lái)越低，精密小信號(hào)放大通常都使用運(yùn)放了，當(dāng)然三極管并沒(méi)有完全被摒棄，在功率放大中還是可以看到他們的身影的。