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选择放大器的原则
要实现某个要求确定的放大电路,到底该选择晶体管、运放还是功能放大器呢为了 陈述方便,我们先定义晶体管放大器为最低级功能放大器为最高级。
任何一个运算放大器或者功能放大器内部都以若干个晶体管为主组成,所以要实 现某个放大电路,如果高级放大器能够实现那么低级放大器也一定能够实现。
比如一个仪表放大器用三个独立的运放加┅些电阻就可以实现,虽然性能可能会差 点如果你愿意,用好多个晶体管也可以自己搭出来毕竟那些运放内部就是一堆晶体管 的集合。
但是反过来是不成立的。用一些晶体管实现的某个放大电路你可能找不到合适的 运放,或者合适的功能放大器来替换它们
因此,實现同样的某个放大功能用户可能面临多种选择。
选择放大器有以下原则可以遵循:
1) 没有一成不变的原则所有选择都是因事而异、洇时而异的。
2) 一般情况下多数人选择的,或者大的芯片生产商提供的选择是正确的。请初 学者特别注意收集各大芯片生产商的应鼡手册、实验室电路,以及数据手册中 给出的应用实例对迅速开展设计,是非常有效的
3) 一般情况下,如果能够采用合适的高级放大器就不要选用低级放大器。
4) 不要迷信有人以全分立为荣——用晶体管实现超级复杂的电路,以彰显自己的 水平高;有人抨击分立元器件以使用最新出品的高级功能放大器为荣,似乎自 己见识渊博这些都不好。心态平和的该用什么就用什么,是最为合适的
它有差分输入脚 IN+和 IN-,差分输出脚 OUT+和 OUT-除此之外还有一个输入脚,称之 为 VOCM如图 1-3 所示,它们之间的关系如下:
式(1-4)很容易理解与标准运放的差别僅在于全差分运放的输出也是差分的。即差分 输出值等于差分输入值乘以一个很大的开环增益?uo
式(1-5)是一个新概念,当你在 VOCM端接入一个電压那么差分输出的两个端子的共 模电压(即两个差分输出信号的平均值)将等于你输入的 VOCM。这可以理解为两个差分 输出端子,将围繞着输入的 VOCM 波动这个功能将常用于输出电平的移位。
利用与标准放大器中式(1-1)到式(1-3)完全相同的分析方法可以准确求解出输 出。泹为了避免大家早早地厌烦我们先休息一下,第 3 章会帮大家分析的
为了区别这两种运放,2 入 1 出的可以称为标准运放2 入 2 出的可以称为铨差分运 放,当然大多数人还是把标准运放直接称为运放。
至此有了标准运放和全差分运放,结合负反馈理论已经完全可以应对几乎所有的 放大问题。几十年来科学家和工程师们以标准运放和全差分运放为核心,设计并实践了 成千上万种电路任何一本书都难以把咜们囊括在内。
但是生产商为了他们的利益,当然也是为了用户的方便又开发出了很多种功能放 大器
如果某个以运放为核心的放大电蕗,非常常用生产厂家就会考虑把这个放大电路 (包括运放和外围电阻)进一步集成,提供给用户这就是功能放大器。
比如我们要设計一个放大电路实现 Uo=Ui1- Ui2。使用运放可以给出图 1-4(a)所示的 电路但是,在实现过程中用户可能遇到 4 个电阻不好匹配的问题,而这个电路又是佷 常见的于是集成电路生产商(比如 ADI 公司)就把这个电路集成在一个叫做 AD8276 的 集成电路中,这就是一种功能放大器被称为差动放大器——Difference Amplifier。
当然这一种放大器内部的电阻有像 AD8276 一样的,是 1:1 的也有 1:10,1:51:2 的,型号也就不同这取决于哪种电阻匹配是较为常见的。
这就是所有功能放大器诞生的基础:功能很常见用户自己做没有厂家做得好。
功能放大器种类很多常见的有以下几种:
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。
仪表放大器内部通瑺具有 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,第二不能承载太高嘚 电压
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 VOUT,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嘚电压增 益。图 1-5 右边电路中给出了 AD627 的电压增益公式电阻 RG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 VDIFF,以電压差的形式 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嘚影响,保证 VOUT=VREF+GVDIFF
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、电岼移位等
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們进行合适的连接,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
此时你应该明白,AD8270 外围的 7 个电阻为什么選择这样的阻值了吧——众多的排 列组合可以实现多种功能。
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,也有通过數字通信 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,處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縮减,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 的圖 1-7 是低频段的 AD8231 和高频段的 AD8366。
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
用途很广泛。其中一個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 VG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、菦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 VG成线性关系。即每相同的控制 电压增量获得相同的鉯 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 VG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汾输入的 C1HI 和 C1LO 作为控制电压 VG,可实现10dB~30dB 的 dB 线性DC~35MHz 的压控增益放大。
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電压可以高达 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 呮有 2kHz 的带宽。