1毛錢“變成”100塊或許只是個美夢，但我們電子工程師卻能輕松將1mV的信號放大1,000倍。本期，貿澤科普實驗室上“才藝”，直接展示——

01什么時候信號需要放大？

當信號強度無法滿足后續(xù)電路的識別、處理或傳輸要求時，就需要放大信號，核心判斷標準是：信號“夠不夠用”，下面這幾種情況就需要放大：

1. 信號強度低于接收設備的“門檻”

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

圖1

2. 傳輸過程中，信號被噪聲影響

通過線纜、無線信道傳輸，微弱信號容易被環(huán)境噪聲，簡單的理解，就像在嘈雜的環(huán)境里小聲說話，對方聽不清，必須使用喇叭，提高音量一樣，在信號放大上，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。

3. 后續(xù)電路需要特定幅度的信號

有些電路對輸入信號的幅度有明確要求，比如模擬濾波器需要輸入信號達到一定幅度才能正常工作，否則濾波效果會失真。

02信號放大有哪些方式？

今天主要為大家介紹兩種常用的信號放大方式：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”運算放大器。

先來說說分立器件的方式：

晶體管放大電路以雙極型晶體管或場效應管為核心放大器件，通過合理配置偏置電路和負載，能夠有效放大微弱的電信號。例如“共射單管放大電路”，就是一種結構簡單、成本低廉的放大器，非常適用于對低頻和中頻信號進行簡易放大。

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 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，Rc和Re確定電路的電壓放大倍數。

在實際使用中，關鍵之處就是對各個元件的參數進行計算，也就是直流分析和交流分析，確保電路正常工作、防止信號失真的核心參數。

直流分析，也就是靜態(tài)工作點計算，是三極管無信號輸入時的直流電壓和電流參數，決定了電路是否能正常放大，以上圖中電路的參數為例，進行計算。

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

計算發(fā)射極電壓，根據三極管手冊得知，VBE≈0.7V，VE=VB?VBE≈2.16V?0.7V=1.46V；

計算發(fā)射極電流，IE=VE/Re≈1.46V/2K≈0.73mA；

計算集電極電流，放大區(qū)中IC≈IE，所以IC≈IE≈0.73mA；

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

計算管壓降，VCE=VC?VE≈4.7V?1.46V=3.24V；

根據計算結果，VBE取0.7V時，VB>VE，且 VC>VB，三極管工作在放大區(qū)。

通過靜態(tài)工作點計算，確定了這個點是可以放大的，但是能放大多少倍，就需要對電壓放大倍數進行確認，也就是交流分析。電壓放大倍數 AV 反映電路對交流信號的放大能力，在這個電路中，AV =V0/VI=Rc/Re，計算得出放大倍數約等于5倍，另外，如果Re的值增大，則AV減小，所以認為這個電路中Re引入了負反饋，因此，稱Re為發(fā)射極反饋電阻，有抑制因hFE的分散性和VBE的溫度變化而產生的發(fā)射極電流變化的作用。

這種單管的放大倍數有限，而且計算復雜，要提高放大倍數就要重新計算各個工作點的電壓。其實還有一種辦法，可以在不破壞直流電位關系的前提下，提高交流增益，就是在Re上并聯一個旁路電容，這樣一來，發(fā)射極到GND之間的交流電阻變小，增加了交流放大倍數，此時，在理想情況下的AV≈hFE。

圖3

通過上面對共射單管放大電路的實驗，單管放大確實是沒有問題的，但是在測試過程中我們發(fā)現，晶體管放大電路的單管放大倍數有限，通常只有幾十到幾百倍。那有沒有辦法再次提高晶體管的放大倍數呢？

既然單管放大電路能夠實現幾十到幾百倍，如果多串幾個單管，是不是就可以實現更高放大倍數？確實是這樣，這就是多級放大電路，組成多級放大電路的每一個基本放大電路稱為一級，級與級之間的連接稱為級間耦合。多級放大電路有四種常見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。

下圖就是常見的直接耦合，各級之間的直流通路相連，因而靜態(tài)工作點相互影響，這樣就給電路的分析、設計和調試帶來一定的困難。不過，直接耦合放大電路的突出優(yōu)點是具有良好的低頻特性，可以放大變化緩慢的信號，并且由于電路中沒有大容量電容，所以易于將全部電路集成在一片硅片上，構成集成放大電路。

圖4

多級放大解決了單管放大的缺點，但是，使用起來還是比較復雜的，為了彌補這些不足，所以集成運算放大器就出現了。

運放就像一個黑盒子，內部是由多個晶體管、電阻等元件通過半導體工藝集成在單一芯片上的高性能模擬集成電路。

這個就是經典雙運算放大器LM358內部結構圖，內部電路十分復雜，但整體可拆解為輸入級、中間級、輸出級和偏置電路四部分，各部分分工明確，共同實現“高增益、低噪聲、寬頻帶”的放大性能。

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LM358內部結構雖然復雜，但使用時僅需要少數外部元件就可以快速搭建需要的小信號放大電路。我們就用LM358實現同相、反相、差分放大以及電壓跟隨器功能。

首先，是LM358實現同相比例放大，電路如下圖所示，輸入信號是加在同相輸入端，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，在傳感器信號放大和音頻放大中都可以見到它的身影。

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LM358實現反相比例放大，顧名思義輸入信號是加在反相輸入端，且輸入信號與輸出信號相位相反，相位差為180度。

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

圖6

將信號同時連接到LM358的兩個輸入端，就能構成差分放大電路。差分放大電路是對兩個輸入信號的 “差值” 進行放大，當R1=R2，R3=R4時，它的輸出Vout=R3/R1(V2-V1)。差分放大電路的應用場景也很多，像存在干擾的場景，尤其在模擬電子和工業(yè)控制領域應用很多。

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而后是電壓跟隨，在信號隔離、負載驅動、基準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。這時的運放輸入和輸出電壓相等，輸入變化會產生等效的輸出電壓變化，即Vout=Vin，當然也可以認為它是增益為1的同相比例放大電路。

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

首先就是作為比較器，雖然現在有專門的比較器芯片，但是在一些設計中，也可以使用運算放大器實現。

比較器是運放的一種非線性形態(tài)，具有兩個模擬電壓輸入U+和U-，一個數字狀態(tài)輸出端UO，輸出端只有兩種狀態(tài)，用以表示兩個輸入端電位的高低關系。其中的 UH 代表高電平，UL 代表低電平，具體的電位值，取決于系統的定義。比如常見的數字系統中，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。它們無非就是兩個可以明顯區(qū)分的電位。當U+>U-，輸出UO=UH，當U+

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基于上述邏輯，可以實現過零比較器、滯回比較器等功能電路。

運放實現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”，即輸出信號經反饋網絡回授到輸入端，持續(xù)維持一定頻率和幅值的振蕩，無需外部輸入信號。這個就是使用741運放設計的一個正弦波振蕩器，我們還可以使用運放自制一個多功能的信號發(fā)生器。

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聊一聊運放如何構成濾波電路，我們知道非常簡單的無源濾波元件就是電容和電感了，如果再與有源器件結合，如運算放大器、三極管，這樣就構成有源濾波電路。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。

下圖就是一個有源一階低通濾波電路，有源濾波器的運放不僅能補償信號衰減，還能提供增益，同時運放的高輸入阻抗、低輸出阻抗特性，隔離了負載對濾波網絡的影響，讓濾波性能更穩(wěn)定。

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以上，為大家科普放大電路知識。隨著集成運放的價格越來越低，精密小信號放大通常都使用運放了，當然三極管并沒有完全被摒棄，在功率放大中還是可以看到他們的身影的。