簡介

放大器是電子電路中常用的一種電路元件，用于將輸入信號放大到一定的幅度。分為線性放大器和非線性放大器兩種類型。

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常見術(shù)語

在學(xué)習(xí)放大器的相關(guān)知識時，會經(jīng)常遇到以下名詞：

?增益(Gain)：放大器輸出信號與輸入信號之比，通常用分貝(dB)表示。

?帶寬(Bandwidth)：指放大器能夠放大的信號頻率范圍，通常定義為增益下降到-3dB時的頻率范圍。

?輸入電阻(Input Resistance)：放大器輸入端的電阻，通常用歐姆(Ω)表示，表示輸入信號的負(fù)載特性。

?輸出電阻(Output Resistance)：放大器輸出端的電阻，通常用歐姆(Ω)表示，表示輸出信號的驅(qū)動特性。

?偏置(Bias)：放大器直流輸入偏差，多數(shù)用于在輸入信號中去除直流分量，通常用直流電壓表示。

?偏置電阻(Bias Resistor)：用于控制放大器輸入端的偏置電壓的電阻。

?偏置電流(Bias Current)：放大器輸入端的偏置電流，通常用安培(A)表示，常用于直流放大器的設(shè)計。

?偏置電壓溫漂(Bias Voltage Temperature Coefficient)：放大器偏置電壓隨溫度變化的變化率，通常用毫伏每攝氏度(mV/℃)表示。

?偏置電流溫漂(Bias Current Temperature Coefficient)：放大器偏置電流隨溫度變化的變化率，通常用安培每攝氏度(A/℃)表示。

?共模電壓(Common Mode Voltage)：輸入信號的共同參考電壓。

?共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio, CMRR)：放大器對共模信號的抑制能力，通常用分貝(dB)表示。

?溫度系數(shù)(Temperature Coefficient)：放大器的增益或其他特性隨溫度變化的變化率，通常用百萬分之一每攝氏度(PPM/℃)表示。

?失真(Distortion)：指輸出信號與輸入信號存在不同程度的畸變現(xiàn)象，通常分為非線性失真和線性失真兩種類型，常見的失真類型包括諧波失真、交叉失真、截止失真等。失真問題通常需要通過調(diào)整電路中的參數(shù)、優(yōu)化放大器架構(gòu)等方法來解決。

?噪聲(Noise)：指在放大器中存在的隨機(jī)信號，通常使用噪聲系數(shù)和等效輸入噪聲溫度來描述放大器的噪聲特性，為了減少噪聲，可以采用一些措施，如濾波、提高信號強(qiáng)度等。

?頻率響應(yīng)(Frequency Response)：指放大器在不同頻率下的增益情況。通常使用截止頻率和通頻帶來描述放大器的頻率響應(yīng)特性。

常見放大器類型

根據(jù)放大器電路中元器件之間不同的連接方式，會有以下的一些放大器類型：

1.電壓放大器（Voltage Amplifier，VA）：電壓放大器是一種基本的放大器，其輸入為電壓信號，輸出也是電壓信號。電壓放大器的放大倍數(shù)取決于反饋電路的參數(shù)設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)高增益和低失真。

2.電流放大器（Current Amplifier，CA）：電流放大器的輸入為電流信號，輸出也是電流信號。電流放大器主要用于需要放大小信號電流的場合。

3.電阻負(fù)反饋放大器（Voltage Feedback Amplifier，VFA）：電阻負(fù)反饋放大器采用電阻器作為反饋元件，通過改變反饋電路的參數(shù)，可以改變放大器的增益、帶寬和輸入電阻等特性。

4.電容負(fù)反饋放大器（Current Feedback Amplifier，CFA）：電容負(fù)反饋放大器采用電容作為反饋元件，具有高的帶寬和低的失真，主要用于高頻放大和運(yùn)算放大器的設(shè)計。

5.差分放大器（Differential Amplifier）：差分放大器是一種能夠放大兩個輸入信號之間差異的放大器，可以用于增益、濾波、調(diào)幅調(diào)頻解調(diào)等應(yīng)用。

6.運(yùn)算放大器（Operational Amplifier，Op-Amp）：運(yùn)算放大器是一種高增益、高輸入阻抗、低輸出阻抗、差分輸入和單端輸出的放大器，可以用于信號放大、濾波、比較、積分、微分等各種應(yīng)用。運(yùn)算放大器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括反饋式和開環(huán)式，其中反饋式的穩(wěn)定性和可控性更好。

7.分布式放大器（Distributed Amplifier）：分布式放大器采用分布式元件作為傳輸線路，可以實(shí)現(xiàn)寬帶、高增益、低噪聲的放大器性能，主要用于射頻和微波電路的設(shè)計。

8.限幅放大器（Clipping Amplifier）：限幅放大器可以將輸入信號限制在一定范圍內(nèi)，常用于信號處理、音頻電路和保護(hù)電路中。

常見電路

將簡單介紹一些常見的放大器應(yīng)用電路，對于具體的應(yīng)用時，一般會需要改進(jìn)相應(yīng)的電路設(shè)計，或直接采用帶該功能的集成芯片，以減少外部的干擾等等，開始吧~

1、電壓跟隨器

電壓跟隨器（voltage follower）也稱為緩沖放大器（buffer amplifier），它是一種特殊的電壓放大器，其放大倍數(shù)為1，輸出電壓與輸入電壓完全一致，但能夠提供更大的電流輸出能力。因此，電壓跟隨器通常用于保持電路的輸入阻抗，消除信號源的輸出電阻對負(fù)載的影響，以及提供驅(qū)動能力，以滿足負(fù)載的要求。

其中，Vin為輸入信號，Vout為輸出信號。

電壓跟隨器的輸出電壓與輸入電壓幾乎完全相同，差別只在于輸出電壓略小于輸入電壓一個微小的失調(diào)電壓。這是因為運(yùn)算放大器的輸入電阻很大，而輸入電流很小，所以可以將輸入電壓幾乎完全傳遞到輸出端。

電壓跟隨器通常用于如下情況：

1.輸入電阻很高的電路，如傳感器、低電平信號處理等。

2.需要將輸入信號復(fù)制到多個負(fù)載電路中，以免影響前級電路。

3.需要對電路進(jìn)行隔離，以保護(hù)前級電路免受負(fù)載的影響。

2、比例放大器

比例放大器是一種常見的放大器電路，它可以將輸入信號的大小按照一定的比例放大輸出，常用于放大傳感器等低電平信號。

一般由一個運(yùn)算放大器和幾個電阻組成，放大倍數(shù)可以通過電阻的選擇來實(shí)現(xiàn)。運(yùn)算放大器作為比例放大器的核心部件，其特點(diǎn)是具有高的輸入阻抗、低的輸出阻抗、大的增益和高的共模抑制比。

反相比例放大器

輸出值計算公式為：

其中放大倍數(shù)Af為：

同相比例放大器

輸出值計算公式為：

其中放大倍數(shù)Af為：

需要注意的是，運(yùn)算放大器的輸出電壓有一個最大值，通常稱為飽和電壓，當(dāng)輸出電壓達(dá)到飽和電壓時，輸出信號將不再跟隨輸入信號變化，因此需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景合理選擇運(yùn)算放大器和反饋電阻的值。

3、比較器

將一個輸入信號與一個參考電平進(jìn)行比較，輸出高電平或低電平信號。

參考電壓為R1和R2的分壓值，當(dāng)Input電壓達(dá)到參考電壓之上時，Output為高電平，反之為低電平，電平大小由放大器的供電以及本身特性決定，如軌對軌類型，高電平則為電源值。

4、加法器

將兩個或更多的信號相加。它通常用于混音、數(shù)字信號處理和模擬信號處理等應(yīng)用。加法器的輸出是所有輸入信號的總和。有些加法器還支持信號的加權(quán)相加，即每個輸入信號都可以乘以一個權(quán)重系數(shù)后再相加。

上圖為同相加法器，Uo的輸出值計算式：

5、差分放大器

將兩個信號相減并放大差值的電路。它通常用于信號的差分放大、微弱信號的放大和共模噪聲抑制等應(yīng)用，如：測量傳感器信號、音頻處理。

差分放大計算：

當(dāng)使用R1=R3，R2=R4的特殊配置時

6、濾波器

可以對輸入信號進(jìn)行濾波處理，將某些頻率范圍內(nèi)的信號通過，并將其他頻率范圍內(nèi)的信號抑制或濾除。通常用于信號處理、放大、調(diào)制和解調(diào)等應(yīng)用。根據(jù)其特性和傳遞函數(shù)，濾波器可以分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器等不同類型。

示例：有源低通濾波器

截止頻率（Hz）定義為：

弧度單位（rad/s）則為：

通帶增益：

7、積分器

將輸入信號積分，得到輸出信號，通常使用電容來實(shí)現(xiàn)積分。電容的電壓隨著時間的推移而變化，因此輸出信號的幅度和輸入信號的時間積分成正比，可用于濾波、調(diào)整直流偏置等。

以下是階躍信號、方波和正弦信號做輸入時，積分器輸出的信號波形：

8、微分器

通常使用電阻和電容來實(shí)現(xiàn)微分。電容通過電流積分電壓，電阻通過電壓積分電流，因此輸出信號的幅度與輸入信號的時間微分成正比。微分放大器通常用于信號處理中，例如濾波和頻率分析。

輸入方波時，微分器的效果：

9、其他

就簡單介紹這八種基本電路，基于這幾種還會有各種衍生的設(shè)計，如比較器，就還有窗口比較、遲滯比較等等，花樣很多；此外還能組合得到其他電路，如：移相器、振蕩器等等。

設(shè)計建議

以下是一些基于項目性的建議，可供參考：

1.確定設(shè)計目標(biāo)

在開始設(shè)計之前，需要確定放大器的目標(biāo)，如增益、帶寬、輸入和輸出阻抗等。這將有助于確定放大器的電路結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)。

2.選擇適當(dāng)?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)

常見的有包括差分放大器、共源共極放大器、共源放大器、共漏放大器、共基放大器等。根據(jù)不同的應(yīng)用場景和設(shè)計目標(biāo)選擇適當(dāng)?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.選擇適當(dāng)?shù)姆糯笃髌骷?/h2>

根據(jù)放大器的工作條件和要求選擇適當(dāng)?shù)姆糯笃髌骷＠?，對于高增益放大器，可以選擇低噪聲放大器器件，對于高速放大器，可以選擇高頻率響應(yīng)的器件。

4.電路參數(shù)計算

根據(jù)選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和器件，計算電路的各項參數(shù)，如輸入和輸出阻抗、增益、帶寬、穩(wěn)定性等。

5.仿真驗證

在進(jìn)行實(shí)際電路設(shè)計之前，可以通過電路仿真軟件進(jìn)行仿真驗證，以確保電路設(shè)計滿足設(shè)計要求。

6.PCB設(shè)計

根據(jù)電路設(shè)計圖進(jìn)行PCB設(shè)計，確定布局和走線方案，盡可能減少電路噪聲和干擾。

7.實(shí)驗測試

完成PCB設(shè)計后，進(jìn)行實(shí)驗測試，驗證電路性能和參數(shù)是否符合設(shè)計要求。

8.總結(jié)和優(yōu)化

總結(jié)設(shè)計過程中遇到的問題和經(jīng)驗，條件允許的話，可根據(jù)實(shí)驗測試結(jié)果對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。

在具體的電路設(shè)計過程中，還需要注意一些細(xì)節(jié)問題，如輸入和輸出信號的匹配、電路的穩(wěn)定性、對噪聲和干擾的抑制等等。這些都需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行綜合考慮。

結(jié)語

本篇關(guān)于放大器的基礎(chǔ)知識就淺嘗輒止了~