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理解放大器:分类、选择与关键指标解析
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更新于2024-06-18
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《你好放大器》是一篇深入解析放大器概念、分类以及其在实际应用中的选择原则和技术指标的文章。首先,它明确了放大器的定义,指出它是电学中用于信号或功率放大的设备,可以是个简单的晶体管或复杂的运算放大器。文章将放大器分为晶体管放大器、运算放大器和功能放大器三大类,强调了晶体管包括双极型晶体管(BJT)和单极型晶体管(FET)。 运算放大器部分详细探讨了关键指标,如输入失调电压(VOS)、失调电压漂移、输入偏置电流(IB)、输入失调电流(IOS),并解释了这些参数对电路性能的影响。作者通过实例,如OP27运算放大器,演示了如何从数据手册获取噪声参数并进行计算。文章特别关注了噪声分析,包括噪声电压密度曲线、不同类型的噪声(如1/f噪声、白噪声)的计算方法,以及噪声有效值与峰峰值的关系。 对于初学者来说,文章还讨论了如何在电路设计中处理输入失调和偏置的影响,以及如何选择合适的放大器来克服噪声问题。此外,文中还涵盖了全差分运放、仪表放大器、差动放大器和程控/压控/隔离放大器等各种特定类型的放大器及其应用场景。 在运算放大器的关键指标详解中,作者不仅给出了理论分析,还提供了实践操作的指导,使读者能够全面理解和掌握放大器的工作原理和参数选择。最后,文章涉及了多级放大电路和复杂电路的噪声计算,为读者在实际工程设计中应用放大器提供了实用的噪声控制策略。 《你好放大器》是一篇实用且详尽的指南,适合电子工程师、学生或对电子技术感兴趣的读者,帮助他们理解和应对放大器的选择与使用过程中遇到的各种技术挑战。
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仪表放大器
高阻差分输入,输出有单端的,也有差分的,增益一般可以用一个外部电阻,由用户
选择设定。常用于仪器仪表的最前端,和传感器直接接触。
仪表放大器内部通常具有 2 个或者更多的运放,最典型的是 3 运放结构。其它的还有
2 运放结构、电流镜结构、飞电容结构等。
仪表放大器具有极高的共模抑制比——对信号的差值极为敏感而对共模量不敏感,还
有极高的输入阻抗。但是它的输入管脚有工作限制:第一不得悬空,第二不能承载太高的
电压。
关于仪表放大器更多的细节,我会在后续文章中细说。
图 1-5 左边是 ADI 公司生产的 AD8221 管脚图,可以看出它有两个输入端-IN 和+IN,
一个输出端 V
OUT
,2 脚和 3 脚之间需要用户连接一个电阻,以决定仪表放大器的电压增
益。图 1-5 右边电路中给出了 AD627 的电压增益公式,电阻 R
G
越小,增益越大。
图 1-5 右边电路中,电阻桥组成的传感器感知被测信息,产生 V
DIFF
,以电压差的形式
反映被测信息,AD627 的两个输入端有极高的输入阻抗,几乎不会从传感器侧取用电流,
因此传感器输出阻抗的变化不会带来额外的影响,保证 V
OUT
=V
REF
+GV
DIFF
。
图 1-5 仪表放大器及其常见应用电路
截图于 A Designer’s Guide to Instrumentation Amplifiers 3RD Edition /by Charles Kitchin and Lew Counts/Analog Devices,Inc.2006
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差动放大器
由一个运放和若干个激光校准电阻对集成在一起的电路,而其中的电阻值选择均以容
易形成差动放大器为目的。
多数如 AD8276 一般,包含 4 个激光校准的电阻,也有 5 电阻、6 电阻甚至更多电阻
的,主要用于信号减法(比如电流检出)、精确增益、信号的差分转单端、电平移位等。
生产厂家提供各式各样的差动放大器,主要目的是给用户提供高质量运放和激光校准
电阻对的组合。用户更看重的是那几个精密匹配的电阻。
以图 1-6 所示的 AD8270 为例,可以看出它内部由两个独立的差动放大器组成,每个
差动放大器都有 7 个电阻,用户可以在芯片外部对它们进行合适的连接,以实现不同的功
能。图 1-6 仅是一种连接方式,作为一个 AD 转换器 AD7688 的前级驱动电路。
除此之外,如果你想实现一个单纯的减法电路 U
15
=U
+IN
-U
-IN
,可以把 1 脚、5 脚、6 脚
悬空。要实现 U
15
=0.5(U
+IN
-U
-IN
),可以把 4、5、6 脚都接地,1 脚和 15 脚接到一起。要实
现 U
15
=2(U
+IN
-U
-IN
),可以把 1 脚和 2 脚接在一起,3 脚 4 脚接在一起,5、6 脚接地。
此时你应该明白,AD8270 外围的 7 个电阻为什么选择这样的阻值了吧——众多的排
列组合,可以实现多种功能。
关于差动放大器更多的细节,我会在后续文章中细说。
图 1-6 差动放大器 AD8270 的一种应用——驱动 ADC
17
程控增益放大器
放大器的增益可以由用户通过数字信号设定,或者说可以用处理器程序实施设定,因
此叫 Programmable,可程控,或者叫 Digital Controlled Variable Gain Amplifier。通常缩写
为 PGA 或者 DVGA。
程控增益放大器的增益设定,有多个管脚配合设定 2 进制增益的,也有通过数字通信
接口给放大器写入命令的。
主要用于被测信号幅度变化较大且不可事先预知的情况:程控增益放大器的输出经过
ADC 进入处理器中,处理器分析所得数据,如果发现信号变化范围太小,可以发出指令,
用程序增大 PGA 的增益,如果信号变化范围过大,可以用程序实现增益的缩减,最终使得
放大器处于随时可调的最佳增益状态。
ADI 公司生产的程控增益放大器主要分为两类:低频段的精确增益型,以及高频段
的。图 1-7 是低频段的 AD8231 和高频段的 AD8366。
低频段追求精确增益以及其他优秀的直流性能,AD8231 靠三根线实现 8 种增益 1
倍、2 倍、……128 倍,15μV 失调电压,G=1 时仅有 0.08%的增益误差。但是它的带宽只
有 2.7MHz。
AD8366 的-3dB 带宽可以达到 600MHz,平坦区可达 100MHz 以上。但是它的增益准
确度只有±0.25dB,约为 0.97~1.03,±3%的误差。
AD8366 的增益控制很灵活,可以单独控制 2 路中的一路,也可以同步控制;可以并
行控制,也可以用 SPI 实施串行控制。
AD8231 内部是一个可以改变增益的仪表放大器,因此它既是程控增益放大器,又是
仪表放大器。
AD8366
图 1-7 AD8231 和 AD8366
18
压控增益放大器
放大器的增益由外部施加的电压 V
G
连续控制。ADI 公司称之为 Variable Gain
Amplifier, VGA。有 dB 线性和 V/V 线性两种。有的是正控制——V
G
越大,增益越大;有
的是负控制——V
G
越大,增益越小。
用途很广泛。其中一个主要应用是自动增益控制 AGC。有些芯片为此还内嵌了输出有
效值检测环节,以直流电压表征输出幅度,此电压如果回送到负控制的压控增益放大器的
V
G
脚,可以方便实现 AGC 功能——输入幅度大范围改变时,输出幅度几乎不变。录音笔
中一般都具备这种功能:距离说话者远也罢、近也罢,录下的声音大小几乎是一致的。
dB 线性:以 dB 为单位的放大器增益,与控制电压 V
G
成线性关系。即每相同的控制
电压增量,获得相同的以 dB 为单位的增益改变。此类用途更广,芯片种类也多。
V/V 线性:电压增益(倍数,即 V/V),与控制电压 V
G
成线性关系。即每相同的控制
电压增量,获得相同的增益倍数改变。
AD602 是一款应用较为广泛的独立双通道压控增益放大器。每个通道由压控衰减环
节、固定增益环节级联组成,差分输入的 C1HI 和 C1LO 作为控制电压 V
G
,可实现-
10dB~30dB 的 dB 线性,DC~35MHz 的压控增益放大。
AD8367 功能更为强大,500MHz 内实现-2.5dB~42.5dB 的 dB 线性压控放大,且正、
负控制靠 MODE 脚设定,内嵌输出有效值检测。
图 1-8 AD602 和 AD8367
19
隔离放大器
实现放大器输入信号与输出信号之间的电气隔离。实现方法有三类:变压器型、光电
耦合器型、电容型。ADI 的产品主要是变压器型。
如图所示是 AD202,一款我念书时就存在并持续发售的隔离放大器。左边是信号输入
区域,右边是输出区域,两个区域是完全隔离的,仅能通过上部的信号变压器、下部的电
源变压器实现信号和能量的传递。两区域之间的隔离电压可以高达 2000V。
信号通路为:左侧有一个独立的运放(图中左上角),以及随后的调制环节,把低频信
号变成 25kHz 的调制信号,通过隔离变压器传递到右侧,随后解调输出。
为了实现隔离,还需要给信号输入侧提供单独的隔离电源。AD202 图中下部是能量传
递,由右侧给左侧提供电力。这为用户提供了方便。但是,这种电源即图中的±7.5V,一般
仅能提供微弱的电力。
需要特别注意的是,隔离放大器只能放大低频信号,像 AD202 只有 2kHz 的带宽。
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