《你好，放大器》----学习记录

Posted 2022-11-20 鲁棒最小二乘支持向量机

5 典型放大电路分析

5.1 单电源线性变换电路

本节围绕表达式y = kx + b进行，这类电路是运放实现的最为简单的电路，也较为常用。其中，系数 k 指电压放大倍数(包含绝对值小于 1 的，称为衰减) ，k 是正值，为同相放大，k 是负值，为反相放大；b 代表要实现的移位，大于 0，是提升式、向上移位；小于0，下降式、向下移位

从实用角度看，有以下几种常见的线性变换：

• 将双极性信号转变成单极性信号，方便接入单极性型 ADC 中，此时 b 大于 0
• 将宽摆幅的单极性信号，比如 0V 到 20V 的信号，转换成窄摆幅的单极性信号，如 0.5V~4.5V，方便接入到动态范围较小的 ADC 中，此时 b 小于 0

5.1.1 交流耦合

交流耦合电路和直接耦合电路都可以实现信号线性变换，各有优缺点。 交流耦合电路只对交流信号有效，实际上就是一个高通滤波器。当待处理信号包含直流成分或者较低频率时，交流耦合电路不适用。它最大的优点：

• 第一是设计简单，几乎不需要复杂的运算
• 第二是可能降低静态功耗
• 第三是一般不再需要考虑“直流意外”

同相电路一

如图所示，该同相电路可以实现衰减，也可以实现放大：

图片来源于《你好，放大器》

• 短接 R1，此电路是一个含放大作用的电平移位
• 短接 R1，开路 RG，就是一个一比一的电平移位电路
• 在1:1电路基础上，增加 R1，可以起到衰减作用

电平移位

输入信号是基于 0V 的，称之为静默电位为 0。期望输出信号是基于某个确定性电位的，假如 ADC 的输入电压最高值为 5V，最小值为 0V，那么输出静默电位最好是2.5V。将输入信号 0V 静默电位，变换成输出信号 2.5V 静默电位，就是电平移位，一般通过给运放的正输入端加载某个确定电位来实现

R2和 R3从 VCC分压得到一个固定电压加载到 VIN+端，1:1 传递到运放输出端。C2起到了关键作用，如果 C2短接，放大器会对 VIN+端直流电压也进行放大，会引起一系列联动，必须联立方程才能得到结果。当 C2存在，阻断了直流电压放大，仅有 RF反馈，电路为跟随器

放大和滤波

将较大的信号压制到 0~5V 时，R1的介入可以实现衰减，衰减比率为：

反馈支路的电阻和电容，起到对交流信号放大，直流信号跟随的作用。交流信号的高频增益为：

R2和 R3的选择，除实现分压提供静默电位外，还兼具高通滤波器的截止频率设置：

直流信号的增益为 1 倍，存在和交流信号的频率分界线，也可理解为截止频率：

为保证 fl1通带内的增益平坦性，当然要保证 fl2<< fl1。在输出端，一个电阻和电容实现低通滤波，是为后级 ADC 输入端服务的

同相电路一，输出静默电位靠两个电阻分压获得。这种方法简单易行，但有明显的缺点：

• 电源噪声或者纹波，通过分压电阻进入了信号链路中，污染了信号链路
• 在要求较高，需要输出静默电位严格位于 2.5V 时，两个分压电阻难以实现这种准确性要求
• 分压电阻上会消耗不小的静态电流

同相电路二

交流耦合单电源单入单出同相线性变换电路低噪版，如图所示：

图片来源于《你好，放大器》

同相电路二是一种改进型电路，主要的差别来自于静默电位的实现，不再使用分压电阻，而用一个电压基准源实现。图中 ADR421 是一款串联型的低噪声 2.5V 电压基准源，它的输出 2.5V 经过一个时间常数较大的阻容网络 R2/C4，完成低通滤波，进一步降低噪声，进入到一个电压跟随器中。此电压跟随器的作用是以较大的输出驱动能力，保证 R3下端是一个稳定的 2.5V 对地电位。本电路的运放 ADA4891-2，属于宽带低噪放大器，一个芯片内含两个放大器，多出一个刚好用于静默电位的产生

同相电路三

ADC4891-3 数据手册中的电路，如图所示：

图片来源于《你好，放大器》

同相电路三与同相电路一相似，主要区别有以下几点：

• 静默电位的提供，由 2 电阻分压变成 3 个电阻加一个电容
• 输出变成高通滤波器

反相电路

交流耦合单电源单入单出反相线性变换电路，如图所示：

图片来源于《你好，放大器》

在放大器的同相输入端，两个电阻分压得到 2.5V，并接的 C1实现低通滤波，降低该点的噪声。C2是核心，第一它阻断了放大电路的直流电流，使得正输入端干净的 2.5V 顺利传递到运放的输出端；第二它耦合通过了交变信号，使其完成了放大

该电路的下限截止频率为：

该电路通带内(即 C2容抗可以忽略的频段)电压增益为：

输出端串联 49.9Ω 电阻是为了与后级传输电缆实现阻抗匹配

5.1.2 直接耦合

直接耦合最大的特点是没有下限截止频率，可以实现对包括直流量在内的信号实施处理。但是，它带来的缺点是设计更为复杂，需要大量计算

同相增益大于0.5

如图所示，一个能够实现直流电平由 0V 提升到 VD/2，交流增益大于等于 0.5 的电路：

图片来源于《你好，放大器》

输入为双极性信号，输出在 UOZ上(静默电位 UOZ，一般为 0.5VD) ，增益为 G

交流耦合中要想实现 2 倍放大，图中 R3和 R4相等即可，但在直接耦合电路中，情况远比这个复杂：交变信号先经过 R1、R2衰减，再经过 R3和 R4放大，直流电位也是如此，先经过 R1、R2衰减，再经过 R3和 R4放大。既要满足静默电位为 UOZ，又要满足增益为 G，需要列出多个方程联立求解。先设两个临时参量：

则输出表达式为：

解得：

先选择 R3为一个基准电阻，则：

在假设输出是基于 2.5V 的情况下，该电路只能实现 G>=0.5 的增益，其中 G=0.5可以采用断开 R3，R2=R1=2R4实现。但是，如果需要交流增益小于 0.5 的同相放大，上述电路就无能为力了

同相增益小于0.5

要实现更小的增益，在 UA处增加一个电阻 R5接地，且将后续 R3的增益环节去掉，让其变成跟随器。只要 R5足够小，就可以实现更大程度的衰减，如图所示：

图片来源于《你好，放大器》

已知电源电压 VD，要求增益为 G，小于 0.5，输出端静默电位 UOZ。先确定 R1，则：

如果考虑运放两个输入端对外电阻对称，可以选择 R4为上述三个电阻的并联

反相

反相放大电路如图所示，已知VD，UOZ，G，求各电阻：

图片来源于《你好，放大器》

因电路包括端接电阻 RT，有阻抗匹配要求，即从包括端接电阻在内，向右看进去的输入电阻等于 50Ω。再考虑其他要求，列出方程如下：

多数高速放大器，在不同增益下都给出了最佳的反馈电阻，也就是说可以先确定电阻RF，然后按照上式第一行，确定 RG，再利用第二行，确定 RT，最后得到静默时的 UA

5.2 电流源电路

所谓的电流源，包括恒定电流的产生，恒定电流或信号电流的缩小和放大，电压到电流的转换，以及电流到电压的转换等

5.2.1 Howland 电流源

Howland 电流源如图所示：

图片来源于《你好，放大器》

输出通过 R2、R1实现了回送到入端的目的，这是负反馈，其反馈系数为 FN=R1/( R1+ R2)。输出通过 R4、R3，还有 RL实现了回送到入端的目的，这是正反馈，其反馈系数为 FP=(R3//RL)/( R4+ R3//RL)。Howland 电流源中，除负载电阻之外的 4 个电阻是相等的。因此，只要 RL接入电路，正反馈系数就一定小于负反馈系数，电路呈现出负反馈效果

解得：

Howland 电流源的主要问题有：

• 稳定性问题。特别是负载去掉后，运放将进入饱和状态，这会引发一系列问题
• 电流限制问题。负载电流的来源只有两个，第一是运放输出端提供，第二是输入电压源提供，因此指望它输出大电流显然不行
• 效率问题。在标准电路中输出电压是负载电压的两倍，效率不高
• 运放偏置电流的影响，在分析中没有考虑。我估计，输出很小的电流准确性也不高
• 最困难的是，这四个电阻要求相等，一般难以做到这点

5.2.2 利用差动放大器实现的电流源

针对 Howland 电路中 4 个电阻匹配问题，自然会想到差动放大器，它内部有 4 个精密调节好的电阻，而且有相等的，比如图中的 AD8276：

图片来源于《你好，放大器》

基于差动放大器的压流转换器(电流源)，如图所示：

图片来源于《你好，放大器》

电路分析：

优缺点如下：

• 对 Howland 电路中的前 4 个缺点，都没有克服
• 唯一的优点是，当 R1远小于 R 时，电路对两个 R1的一致性要求不再很高
• 电路输出电流的准确性，将几乎唯一取决于电路中紧挨着 RL的那个 R1

5.2.3 改进电路

改进电路基于差动放大器的压流转换器，如图所示：

图片来源于《你好，放大器》

增加了一个运放构成的电压跟随器，这样只需要一个电阻 R1就可以了，图中可看出：

5.2.4 用晶体管增加输出电流

下图电路由含运放的基准电压源 ADR821、差动放大器 AD8276、晶体管 2N3904 组成了一个输出电流较大的恒流源

图片来源于《你好，放大器》

5.2.5 以Rsense为核心的电流源一

AN968-Current Sources: Options and Circuits by Martin Murnane是另外一种思路的电流源。一般都由供电电压源、可控电流环节、电流采样环节、放大环节组成一个闭环，直接采样输出电流(可以在高侧，也可以在低侧)，用负反馈强迫输出电流成为指定值

图片来源于《你好，放大器》

5.2.6 以Rsense为核心的电流源二

AD8278 差动放大器内嵌电阻对为 40kΩ/20kΩ，可以实现0.5 倍和 2 倍放大。如图所示，它是一个 0.5 倍的衰减器

图片来源于《你好，放大器》

5.2.7 用仪表放大器实现的电流源

用仪表放大器也可以实现相同的电压-电流转换，形成电流源。图 AD620 是一款应用极为广泛的低成本仪表放大器，配合一个合适的运放 AD705，实现了低电流输出精密电流源

图片来源于《你好，放大器》

5.3 电流检测

5.3.1 检测电流的基本方法

检测电流的方法很多。常见的有霍尔传感器、罗氏线圈、电流互感器、光纤电流传感器、磁通门、分流电阻等。其中，电流互感器和罗氏线圈仅用于交流电流检测

在电力电子应用中，多数情况下需要检测较大电流— —交流或者直流，此时使用霍尔传感器较为广泛。在小信号测量领域，多数情况下电流较小，但频率范围从直流到高频均有，此时使用分流电阻较为广泛

所谓分流电阻，就是将固定阻值的感应电阻(sense resistor)串联于被测支路中，采用不同的方法测量感应电阻两端的压差，以表征被测电流

5.3.2 低侧还是高侧？

分流电阻检测方法，分为高侧测量和低侧测量两种基本类型，如图所示：

图片来源于《你好，放大器》

高侧电流检测，好处是保证了负载具有稳定的 GND，其顶端电压稍有下降一般不会影响其正常工作。但是，这样给测量电路带来了很大问题：测量放大器必须承受较高的共模电压，从中取出可能很小的差模电压以表征被测电流。很多放大器直接使用，难以承受这样的高共模电压

低侧电流检测，不存在放大器承载高共模电压问题。但是，这引起了负载脚底不稳，可能会影响负载的正常工作。特别是当负载是含有处理器和模拟电路的精密测量电路时，保证其 GND 的稳定性极为重要

多数情况下，为了不影响负载正常工作，都采取高侧检测

5.3.3 分流电阻

感应电阻，也称为分流电阻(shunt resistor)，一般为较小阻值的电阻。多数分流电阻均为 4 触点的，如下图所示。分流电阻本身阻值很小，焊料电阻不容忽视，它们不确定，且随温度变化，会影响测量输出

图片来源于《你好，放大器》

需要特别注意的是，多数感应电阻都有 0.5nH至5nH 的内部串联等效电感，当被测电流频率很高时，不可忽视电感带来的误差。1nH 在 1MHz 时会存在 6.28mΩ 的感抗，与多数1~100mΩ 的感应电阻相比，已是不能忽略的

5.3.4 运放检测电流

图为单运放高侧电流检测电路，主要用于低压负载电流的检测

图片来源于《你好，放大器》

此电路输出晶体管只能输出正电流，因此本电路不能检测负电流。在这种情况下，运放负输入端可能存在的电位最高为电源电压，最低取决于负载电流大小，电流越大，电位越低。因此，保证放大器可以接受正电源电压输入是必须的

5.3.5 差动放大器检测电流

高侧检测负载电流，最大的问题就是感应电阻两端对地电位都处于高位，即其被测位置具有较高共模电压。差动放大器可以检测共模电压超过供电电压很多的高侧负载电流。原因是差动放大器输入管脚上的电压，并不直接加载到内部运放的输入端，而是经过两个电阻分压后加载，较高的共模电压输入，在加载到差动放大器内部的运放真正输入端时，已经被衰减了。衰减比率，取决于差动放大器内部的电阻比例

差动放大器高侧电流检测电路一

如图差动放大器 AD8278，内部是两对儿 40kΩ/20kΩ 电阻。它工作于±5V 时，可以检测共模电压 10V 以上信号的差值

图片来源于《你好，放大器》

5.3.6 电流检测放大器

ADI 为简化电流检测设计，推出了多款专用的电流检测放大器，用于高端检测电流。它们的特点是，可以承载远高于供电电压的共模输入电压，一般都可以达到几十 V，且能够对差模输入电压实施有效的放大，一般在 20 倍以上。有些能够实现双向电流检测，有些只能检测单一方向电流，它们都有比较高的共模抑制比。 ADI 电流检测放大器：

图片来源于《你好，放大器》

5.4 单端转差分电路

任何电压信号，都是两个节点之间的电位差。所谓单端信号，是指一个节点接地，另一个节点电位发生变化代表要表征的信息。差分信号，是指两个节点都不接地，当一个节点变化时，另一个节点出现反方向变化，用两个节点的电位差变化代表要表征的信息

差分信号在信号传递过程中，可以有效抵抗外部的共模干扰，抑制偶次谐波失真，还能扩大动态范围，比单端信号形式更具优势。·在精密信号处理和采集电路中，多采用差分信号形式·，差分信号的劣势是电路相对复杂

很多情况下，需要把一个单端信号转变成差分信号，如图所示：

图片来源于《你好，放大器》

要实现单端信号到差分信号的转换，常见有以下 3 种方法：基本电路、交叉反馈电路，以及全差分运算放大器组成的电路

5.4.1 基本电路

最基本的单端转差分电路，如图所示，它由一个同相比例器(图中上面运放)和反相比例器(图中下面运放)并列组成，两个比例器设定的电压增益相同

图片来源于《你好，放大器》

该电路有一个缺点，受反相比例器的影响，对 Uin来说，电路的输入阻抗比较小

另一种基本电路，如图所示，区别仅在于反相比例器的输入信号来源。本电路的输入阻抗可以做到很大，这取决于运放的选择。但是本电路在信号延迟特性上，要比前一个电路差，Uout-会比 Uout+滞后更长时间

图片来源于《你好，放大器》

5.4.2 交叉反馈电路

图中电路是一种特殊的结构，两个运放的输出互相做了对方的输入

图片来源于《你好，放大器》

从静态分析(即不施加输入信号)，本电路可以实现两个输出端静态电位的单输入调整；从动态分析，本电路可以实现单一电阻调节增益，并可方便调节高通截止频率；另外，这个电路可以使用单电源供电，实现单极性 ADC 的输入端驱动

电路缺点：

• 第一，它不能应对低频输入
• 第二，两个运放输出端的同步性并不是很好

5.5 复合放大电路

直流性能优越的精密放大器，通常带宽较窄，而高频或者宽带放大器其直流性能又不好。一种新型的放大电路复合放大电路，它由一个精密运放和一个高速运放组合形成，最终得到的结果是，两者都好

5.5.1 串联型复合放大电路

串联型复合放大电路如图所示：

图片来源于《你好，放大器》

串联型复合放大电路，是指组成复合放大电路的两个放大器串联，信号先经过第一个放大器(输入放大器)，再经过第二个放大器(输出放大器)

这个电路仍存在问题，它的输出信号幅度仍较小，大信号输入情况下，AD8628 的输出端能否提供足够的压摆率，以及 AD8009 能否输出大电压。解决方案：改变 AD8009 的供电电压，由原电路的±2.5V 变为±5V，而保持 AD8628的低压供电，可以立即得到更高的输出幅度

5.5.2 并型复合放大电路

并联型复合放大电路，以一个或者多个高速放大器为核心进行高频信号放大，以一个辅助放大器并联于信号链旁，通过负反馈，迫使输出失调电压维持在 0V 附近，以降低输出失调。这样的复合放大电路，其增益带宽积完全取决于高速放大器，可以做到几十 GHz以上，且输出失调电压可以被有效降低

图片来源于《你好，放大器》

该电路也有缺点，除输出失调电压被强制降低外，其它输入特性，如偏置电流、输入阻抗、输入范围等，毫无改善

致谢杨建国老师著作《你好，放大器》

希望本文对大家有帮助，上文若有不妥之处，欢迎指正

分享决定高度，学习拉开差距