1 放大器定義、分類和選擇使用

1.1 放大器定義

放大器(Amplifier)： 能夠實現信號、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，能夠實現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)包括結型管(JFET)和金屬氧化物管(MOSFET)。詳細分類如圖所示：

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》

標準運放

按照負反饋理論，集成電路生產商只需要生產滿足如下要求的集成放大器，稱之為運算放大器，即可實現用戶的一切要求：

運放的開環增益非常大

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，引回到負輸入端，形成了負反饋，有下式成立：

得到任意兩個未知量之間的關系，得到：

式中Auf稱為閉環增益，就是運放組成負反饋電路后的電壓增益

當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，而與實際運放的開環增益Auo無關。

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出的電位非常接近Us，該現象即為“虛短”。

“虛短”不是運放本身的特性，而是深度負反饋導致的必然結果。

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》

與標準運放的差別：全差分運放的輸出也是差分的

當在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，生產廠家會把這個放大電路進一步集成，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。儀表放大器內部通常具有2個或多個運放，典型的是3運放結構。

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個激光校準的電阻，主要用于信號減法、精確增益、信號的差分轉單端、電平移位等。

如圖所示AD8270，內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字信號設定，或者可以用處理器程序設定，稱為程控增益放大器。放大器的增益設定，有多個管腳配合設定2進制增益的，也有通過數字通信接口給放大器寫入命令的。

ADI公司生產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知的情況，如果信號變化范圍過大，可以用程序實現增益的縮減，最終使得放大器處于隨時可調的最佳增益狀態。

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連續控制，分為dB線性和V/V線性。正控制，Vg越大，增益越大;負控制，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成線性關系。即每相同的控制電壓增量，獲得相同的增益倍數改變。

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節、固定增益環節級聯組成，差分輸入的C1HI和C1LO作為控制電壓Vg，可實現10dB~30dB的dB線性。

AD8367功能更為強大，500MHz內實現-2.5dB~42.5dB的dB線性壓控放大，且正、負控制靠MODE腳設定，內嵌輸出有效值檢測。

功能放大器–隔離放大器

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

圖片來源于《你好，放大器》

需要特別注意，隔離放大器只能放大低頻信號，該AD202只有2kHz的帶寬。

1.3 選擇放大器的原則

任何一個運算放大器或者功能放大器，內部都以若干個晶體管為主組成，所以，要實現某個放大電路，如果高級放大器(運算放大器)能夠實現，那么低級放大器(晶體管放大器)也一定能夠實現

選擇放大器的原則：

沒有一成不變的原則，所以選擇都因事而異、因時而異。

一般情況下，使用多數人選擇的或芯片生產商提供的。

一般情況下，能夠采用合適的高級放大器，就不選用低級放大器。

不要以全分立為榮，用晶體管實現超級復雜的電路;也不要抨擊分立元器件，以使用最新的高級功能放大器為榮。

能用低級放大器就不用高級放大器，能用通用的高級放大器就不用特殊的高級放大器。