放大器定义、分类和选择原则

放大器定义

能实现信号、功率放大的器件，称为放大器，英文为Amplifier
以放大器为核心，能实现放大功能的电路组合，称为放大电路。

放大器的种类

全部放大器被分为三种：晶体管放大器、运算放大器和功能放大器。

晶体管

晶体管分两类：
双极型晶体管（BJT），又分为NPN型、PNP型
单极型晶体管（也称场效应管，FET），场效应管还分为JFET和MOSFET，就是结型管和金属氧化物管，它们有N沟道和P沟道之分。

双极型晶体管，是指晶体管内部，既有电子运动形成电流，也有空穴运动形成电流，一个多，称多子，一个少，称少子，两者运动方向相反，飞向两个不同的极。
单极型晶体管，只有空穴或只有电子运动形成电流，只有多子存在，飞向单一的极。

晶体管可以组成常见的共射(源)级、共基（栅）极、共集电（漏）极放大电路，以及类型多变的多级放大电路。

晶体管及其放大电路的复杂。从静态工作点开始，到微变等效电路，再到增益计算、输入电阻、输出电阻计算，还有频率特性，要想完成一个各项指标满足要求的放大电路，可不是一件容易的事情。虽然这个放大电路使用的器件很便宜，电阻电容数量也不是很多，但是复杂的计算限制了这种放大电路的推广。
科学家们在“如何让更多用户简单使用放大器”这个问题上，给出的答案是：设计一种傻瓜型放大器， 结合负反馈理论， 很简单就可以组成一个放大电路，其增益设计也极为简单。
这就是运算放大器—Operational Amplifier.

运算放大器

运算放大器又称运放， 其实就是一个差分输入、多级、直接耦合、高增益放大电路（通常大于 10000 倍），用集成电路工艺生产在一个单芯片集成电路中。它有两个差分输入端，一个或者两个输出端，两个供电电源端。

运放的虚短与虚断

设计并生产一种指定增益的放大器，并把它封装在一个集成电路中，形成傻瓜型应用，对集成电路生产商来说，是极为简单的。但是，困难的是，厂商得准备多少种增益选择呢？ 从 1 倍开始， 1.1， 1.2， ……要不要准备 1.05 倍呢？
数学家早已解决了这个问题。按照负反馈理论，集成电路生产商只需要生产满足如下要求的集成放大器，称之为运算放大器，即可实现用户的一切要求：
1） 运放的开环增益非常大，即图 1-2 中Auo很大。
2） 运放的输入端没有电流，即运放具有极高的输入阻抗。

图 1-2(a)是一个满足要求的运放， 但它几乎不能正常使用。因为开环增益实在太大了，输入信号得多么小，才能让输出稳定呢？
图 1-2(b)把输出端通过两个电阻分压，引回到了负输入端，形成了负反馈。根据电路理论有下式成立：

（因为输入阻抗极高所以满足分压关系-----条件二-----也就是虚断）
两个独立的方程，三个未知量，可以解得任意两个未知量之间的关系，得到：

其中Auf称为闭环增益，就是运放组成负反馈电路后的电压增益。当Auo很大时（条件一），得到

式(1-3a)说明，当满足数学家提出的条件后，该负反馈电路的增益仅与外部电阻 R2、RF有关，而与实际运放的开环增益Auo没有什么关系。这太好了，运放生产商可以甩开膀子大干了，管它Auo具体多大呢，只要足够大就可以了。用户想要多大的增益，你自己选择合适的电阻就可以了。
式（1-3b）说明，运放在这种情况下，同相输入端加载的是信号 Us，那么反相输入端呈现出的电位就一定非常接近于 US，即 UIN-约等于 UIN+，这就是我们常说的“虚短”。 从电位上看，运放的两个输入端等电位，似乎短接一般。请千万注意， “虚短” 不是运放本身的特性，而是深度负反馈导致的必然结果。

全差分运放

在这种标准运放的基础上，科学家又研制了另外一种运放，称为全差分运放，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，与标准运放的差别仅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Auo。
式(1-5)是一个新概念，当你在 VOCM端接入一个电压，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，将围绕着输入的 VOCM 波动。这个功能将常用于输出电平的移位。

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 出的可以称为全差分运放，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。

功能放大器

如果某个以运放为核心的放大电路， 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。

比如我们要设计一个放大电路，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，而这个电路又是很常见的，于是集成电路生产商就把这个电路集成在一个集成电路中，这就是一种功能放大器，被称为差动放大器——Difference Amplifier。
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：

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。

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 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 VOUT=VREF+GVDIFF。

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 U15=U+IN-U-IN，可以把 1 脚、 5 脚、 6 脚悬空。要实现 U15=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 U15=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。

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。

AD8231 靠三根线实现 8 种增益 1倍、 2 倍、……128 倍，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 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。

压控增益放大器

放大器的增益由外部施加的电压 VG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——VG 越大，增益越大； 有的是负控制——VG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、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 VG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 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。

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。
如图所示是 AD202，

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。

选择放大器的原则

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一些电阻就可以实现，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， 实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、因时而异的。

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。

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。

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整理自《你好，放大器》