放大器

以前朋友们经常说到放大器的底噪(本底噪声),但现在看来,除了老鸟,多数朋友不甚明了。

一、放大器本底噪声应当怎么测?用过数字万用表的朋友都知道,如果把表拨到毫伏档,表笔悬空没有接任何东西的时候,表头的数字已经开始乱跳了。跳动的数字少则3、5毫伏,多则数十毫伏。难道这个万用表的精度如此之低,以至于不能测量毫伏级的参数吗?非也。只要把二个表笔对接一起,表头马上回零稳定。那么刚才跳动的数字是怎么来的?因为有周围空间分散的杂散电磁干扰信号,而万用表的内阻比较大,对来干扰信号能非常灵敏地接受到的缘故。一旦表笔对接,这些干扰的电磁信号就通过表笔短接掉了,这时万用表所显示的是稳定回零数字,才表明它能够测到的最小信号范围有多大。反过来看放大器,你如果空接输入端子而把音量开到最大,这时听到的噪声,和刚才万用表的道理一样,有相当多的空间电磁干扰噪声。那你找一个没有接线的的信号插头,把插头两端接成短路情况,这时听到的是什么呢?可能什么也听不到或非常小的噪声。这才是放大器的本底噪声。那么,你也可能会问,把音量关到最小不是也可以吗?是,有的时候可能是这样的,比如,音量电位器在电路的最前面。但是,也有的电路音量电位器不在最前面,它的前面或许还有其他的电路元件或接线,你把它关到最小,体现出来的噪声只是电位器以后的电路的噪声。所以,正确的测量方法应当是输入端短接,音量最大时的噪音才是放大器的底噪。

二、也许你又会问,那能不能把放大器的输入阻抗降到零,就像刚才万用表的表笔对接一样,干扰信号不就没有了吗?是!可你想过了没有,前面传输过来的信号不也没有了吗?所以,后面放大器的输入阻抗还是不能没有,低一点,接收的空间干扰噪声就小一点。所以,音量电位器用到20k是很多人的做法。当然,电位器后面的放大电路输入阻抗高一点还是好,这对捕捉弱信号有好处。

三、可是,为什么放大器一接上CD机以后,哪怕音量开到最大,噪声也是会很小呢?因为CD机信号输出端的内阻很低,信号线上感应的空间电磁杂散信号被CD机内部的输出电路短路掉了。如果这时你听到的噪音比放大器输入短接的时候噪音大,那这大的部分就是CD机的本底噪音。

四、请注意,CD机的本底噪音也不是上面说的那么简单。因为绝大多数CD机,特别是进口哪怕是低档的CD机,它在信号输出端子的前面一点,都有一个静音电路,CD机停止播放的时候、换曲的时候、曲间停顿曲长时间记忆跳变的时候,那个静音电路都是开始工作的。这时听到的噪音小,不等于CD机的本底噪音小。CD耳机插孔听耳机的时候也是这样。除了这上面的几个时间,CD机放音的时候听到的噪音有二个方面,一是CD机的芯片档次等级和电路设计水平决定的噪音,这是CD机的底噪;另一个方面,就是录音上的噪音,这是没有办法的事情。

五、耳机机灵敏度高了,当然可以听到更多的噪音。但是,这多听到的噪音有多少是放大器的呢?根据上面所讲,各位就可以自己判断了。

补充一下,就是系统设备连接的不确定噪声来源。有时候,系统的每个单机本身噪声都很正常,一旦系统互连以后,就有较大的噪声产生。通常,这种噪声是50或100Hz的脉动成分。主要原因是系统各个地点之间有电位差。这个电位差有时是电路脉动电流对地点的影响,有时是变压器漏磁干扰地点电位。这样,不同系统中的地电位相连的时候,就会形成一个地回路的电流,就会产生噪音。

来源:电子工程专辑

围观 5

我们在学习和生活中都会用到许多三极管放大电路,但是也有好多人傻傻分不清放大器的类型,比如笔者就是这样的人。今天对放大器类型做一个简单总结。

应用情况

● 3种放大器中,共发射极放大器应用最为广泛,在各种频率的放大系统中都有应用,是信号放大的首选电路。
● 共集电极放大器由于它的输入阻抗大,输出阻抗小这一特点,主要用在放大系统中起隔离作用,比如说做多级放大系统中的输入级,输出级和缓冲级,使得放大器的前级电路和后级电路之间的互相影响减到最小。
● 共基极放大器具有高频特性优良,所以主要用在工作频率比较高的电路。

放大器类型判断方法

通过三极管接法进行判断,可以知道它的放大类型及特性。

原理:放大器有一个输入回路,一个输出回路,每个回路需要有两个引脚,而三极管只有三个引脚必然有一个引脚被输入输出公用,比如共用发射极就是共发射极放大器。

方法:放大器的地线是电路中的共用参考点。所以三极管的这根引脚应该交流接地,只要看出三极管的哪个引脚交流接地就可以知道是什么类型的放大器。

1、共发射级放大器


共发射级放大器

图中所示电路中Q1发射极直接接地,Q2中发射极通过电容C3接地,因为C3的容量较大,对交流信号的容抗很小而呈通路,这样对交流信号而言就是发射极相当于接地,所以这个是共发射极放大器。

从电路可以看出,三级管的基极和集电极不接地,输入信号从基极与地之间输入到三极管中,将输入信号从三极管的集电极与地之间输出简单说成从集电极输出。

2、共集电极放大器


共集电极放大器

集电极接直流电源+V,对交流而言+V端等效接地(C1将+V端交流接地),所以三极管集电极接地,是共集电极放大器。交流信号是从基极输入(基极与地之间输入),信号从发射极输出(发射极与地之间输出)。发射极与地之间不能接入旁路电容,否则放大器交流短路,无信号输出。

3、共基极放大器

基极通过旁路电容C2交流接地,这样基极被共用,所以这是共基极放大器。交流信号从发射极输入(发射极与地之间输入),集电极输出(集电极与地之间输出)。


基极放大器

来源:电子工程师笔记

围观 7

与分立器件相比,现代集成运算放大器(op amp)和仪表放大器(in-amp)为设计工程师带来了许多好处。虽然提供了许多巧妙、有用并且吸引人的电路。往往都是这样,由于仓促地组装电路而会忽视了一些非常基本的问题,从而导致电路不能实现预期功能——或者可能根本不工作。

本文将讨论一些最常见的应用问题,并给出实用的解决方案。

AC耦合时缺少DC偏置电流回路

最常遇到的一个应用问题是在交流(AC)耦合运算放大器或仪表放大器电路中没有提供偏置电流的直流(DC)回路。在图1中,一只电容器与运算放大器的同相输入端串联以实现AC耦合,这是一种隔离输入电压(VIN)的DC分量的简单方法。这在高增益应用中尤其有用,在那些应用中哪怕运算放大器输入端很小的直流电压都会限制动态范围,甚至导致输出饱和。然而,在高阻抗输入端加电容耦合,而不为同相输入端的电流提供DC通路,会出现问题。

放大器电路设计中的常见问题的解决办法
图1. 错误的运算放大器AC耦合输入

实际上,输入偏置电流会流入耦合的电容器,并为它充电,直到超过放大器输入电路的共模电压的额定值或使输出达到极限。根据输入偏置电流的极性,电容器会充电到电源的正电压或负电压。放大器的闭环DC增益放大偏置电压。

这个过程可能会需要很长时间。例如,一只场效应管(FET)输入放大器,当1 pA的偏置电流与一个0.1 μF电容器耦合时,其充电速率I/C为10-12/10-7=10 μV/s,或每分钟600 μV。如果增益为100,那么输出漂移 为每分钟0.06 V。因此,一般实验室测试(使用AC耦合示波器)无法检测到这个问题,而电路在数小时之后才会出现问题。显然,完全避免这个问题非常重要。

放大器电路设计中的常见问题的解决办法
图2. 正确的双电源供电运算放大器AC耦合输入方法

图2示出了对这常见问题的一种简单的解决方案。这里,在运算放大器输入端和地之间接一只电阻器,为输入偏置电流提供一个对地回路。为了使输入偏置电流造成的失调电压最小,当使用双极性运算放大器时,应该使其两个输入端的偏置电流相等,所以通常应将R1的电阻值设置成等于R2和R3的并联阻值。

然而,应该注意的是,该电阻器R1总会在电路中引入一些噪声,因此要在电路输入阻抗、输入耦合电容器的尺寸和电阻器引起的Johnson噪声之间进行折衷。典型的电阻器阻值一般在100,000Ω ~1 MΩ之间。

类似的问题也会出现在仪表放大器电路中。图3示出了使用两只电容器进行AC耦合的仪表放大器电路,没有提供输入偏置电流的返回路径。这个问题在使用双电源(图3a)和单电源(图3b)供电的仪表放大器电路中很常见。

放大器电路设计中的常见问题的解决办法
图3. 不工作的AC耦合仪表放大器实例

这类问题也会出现在变压器耦合放大器电路中,如图4所示,如果变压器次级电路中没有提供DC对地回路,该问题就会出现。

放大器电路设计中的常见问题的解决办法
图4. 不工作的变压器耦合仪表放大器电路

图5和图6示出了这些电路的简单解决方案。这里,在每一个输入端和地之间都接一个高阻值的电阻器(RA,RB)。这是一种适合双电源仪表放大器电路的简单而实用的解决方案。

放大器电路设计中的常见问题的解决办法
图5. 每个输入端与地之间都接一个高阻值的电阻器以提供必需的偏置电流回路。a. 双电源, b. 单电源

这两只电阻器为输入偏置电流提供了一个放电回路。在图5所示的双电源例子中,两个输入端的参考端都接地。在图5b所示的单电源例子中,两个输入端的参考端或者接地(VCM接地)或者接一个偏置电压,通常为最大输入电压的一半。

同样的原则也可以应用到变压器耦合输入电路(见图6),除非变压器的次级有中间抽头,它可以接地或接VCM

在该电路中,由于两只输入电阻器之间的失配和(或)两端输入偏置电流的失配会产生一个小的失调电压误差。为了使失调误差最小,在仪表放大器的两个输入端之间可以再接一只电阻器(即桥接在两只电阻器之间),其阻值大约为前两只电阻器的1/10th(但与差分源阻抗相比仍然很大)。

放大器电路设计中的常见问题的解决办法
图6. 正确的仪表放大器变压器输入耦合方法

为仪表放大器、运算放大器和ADC提供参考电压

图7示出一个仪表放大器驱动一个单端输入的模数转换器(ADC)的单电源电路。该放大器的参考电压提供一个对应零差分输入时的偏置电压,而ADC的参考电压则提供比例因子。在仪表放大器的输出端和ADC的输入端之间通常接一个简单的RC低通抗混叠滤波器以减少带外噪声。设计工程师通常总想采用简单的方法,例如电阻分压器,为仪表放大器和ADC提供参考电压。因此在使用某些仪表放大器时,会产生误差。

放大器电路设计中的常见问题的解决办法
图7. 仪表放大器驱动ADC的典型单电源电路

正确地提供仪表放大器的参考电压

一般假设仪表放大器的参考输入端为高阻抗,因为它是一个输入端。所以使设计工程师一般总想在仪表放大器的参考端引脚接入一个高阻抗源,例如一只电阻分压器。这在某些类型仪表放大器的使用中会产生严重误差(见图8)。

放大器电路设计中的常见问题的解决办法
图8. 错误地使用一个简单的电阻分压器直接驱动3运放仪表放大器的参考电压引脚

例如,流行的仪表放大器设计配置使用上图所示的三运放结构。其信号总增益为

放大器电路设计中的常见问题的解决办法

参考电压输入端的增益为1(如果从低阻抗电压源输入)。但是,在上图所示的电路中,仪表放大器的参考输入端引脚直接与一个简单的分压器相连。这会改变减法器电路的对称性和分压器的分压比。这还会降低仪表放大器的共模抑制比及其增益精度。然而,如果接入R4, 那么该电阻的等效电阻会变小,减小的电阻值等于从分压器的两个并联支路看过去的阻值(50 kΩ),该电路表现为一个大小为电源电压一半的低阻抗电压源被加在原值R4上,减法器电路的精度保持不变。

如果仪表放大器采用封闭的单封装形式(一个IC),则不能使用这种方法。此外,还要考虑分压电阻器的温度系数应该与R4和减法器中的电阻器保持一致。最终,参考电压将不可调。另一方面,如果尝试减小分压电阻器的阻值使增加的电阻大小可忽略,这样会增大电源电流的消耗和电路的功耗。在任何情况下,这种笨拙的方法都不是好的设计方案。

图9示出了一个更好的解决方案,在分压器和仪表放大器参考电压输入端之间加一个低功耗运算放大器缓冲器。这会消除阻抗匹配和温度系数匹配的问题,而且很容易对参考电压进行调节。

放大器电路设计中的常见问题的解决办法
图9. 利用低输出阻抗运算放大器驱动仪表放大器的参考电压输入端

当从电源电压利用分压器为放大器提供参考电压时应保证PSR性能

一个经常忽视的问题是电源电压VS的任何噪声、瞬变或漂移都会通过参考输入按照分压比经过衰减后直接加在输出端。实际的解决方案包括旁路滤波以及甚至使用精密参考电压IC产生的参考电压,例如ADR121,代替VS分压。

当设计带有仪表放大器和运算放大器的电路时,这方面的考虑很重要。电源电压抑制技术用来隔离放大器免受其电源电压中的交流声、噪声和任何瞬态电压变化的影响。这是非常重要的,因为许多实际电路都包含、连接着或存在于只能提供非理想的电源电压的环境之中。另外电力线中的交流信号会反馈到电路中被放大,而且在适当的条件下会引起寄生振荡。

现代的运算放大器和仪表放大器都提供频率相当低的电源电压抑制(PSR)能力作为其设计的一部分。这在大多数工程师看来是理所当然的。许多现代的运算放大器和仪表放大器的PSR指标在80~100dB以上,可以将电源电压的变化影响衰减到1/10,000~1/100,000。甚至最适度的40 dB PSR的放大器隔离对电源也可以起到1/100的抑制作用。不过,总是需要高频旁路电容(正如图1~7所示)并且经常起到重要作用。

此外,当设计工程师采用简单的电源电压电阻分压器并且用一只运算放大器缓冲器为仪表放大器提供参考电压时,电源电压中的任何变化都会通过该电路不经衰减直接进入仪表放大器的输出级。因此,除非提供低通滤波器,否则IC通常优良的PSR性能会丢失。

在图10中,在分压器的输出端增加一个大电容器以滤除电源电压的变化并且保证PSR性能。滤波器的-3 dB极点由电阻器 R1/R2并联和电容器C1决定。-3 dB极点应当设置在最低有用频率的1/10处。

放大器电路设计中的常见问题的解决办法
图10. 保证PSR性能的参考端退耦电路

上面示出的CF试用值能够提供大约0.03 Hz的-3 dB极点频率。接在R3两端的小电容器(0.01 μF)可使电阻器噪声最小。

该滤波器充电需要时间。按照试用值,参考输入的上升时间应是时间常数的几倍(这里T = R3Cf= 5 s),或10~15s。

图11中的电路做了进一步改进。这里,运算放大器缓冲器起到一个有源滤波器的作用,它允许使用电容值小很多的电容器对同样大的电源退耦。此外,有源滤波器可以用来提高Q值从而加快导通时间。

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图11. 将运算放大器缓冲器接成有源滤波器驱动仪表放大器的参考输入引脚

测试结果:利用上图所示的元件值,施加12 V电源电压,对仪表放大器的6 V参考电压提供滤波。将仪表放大器的增益设置为1,采用频率变化的1 VP-P正弦信号调制12 V电源。在这样的条件下,随着频率的减小,一直减到大约8 Hz时,我们在示波器上看不到AC信号。当对仪表放大器施加低幅度输入信号时,该电路的测试电源电压范围是4 V到25 V以上。电路的导通时间大约为2s。

单电源运算放大器电路的退耦

最后,单电源运算放大器电路需要偏置共模输入电压幅度以控制AC信号的正向摆幅和负向摆幅。当从电源电压利用分压器提供偏置电压时,为了保证PSR的性能就需要合适的退耦。

一种常用但不正确的方法是利用100 kΩ/100 kΩ电阻分压器(加0.1μF旁路电容)提供VS/2给运算放大器的同相输入端。使用这样小的电容值对电源退耦通常是不够的,因为极点仅为32 Hz。电路出现不稳定(“低频振荡”),特别是在驱动感性负载时。

图12(反相输入)和图13(同相输入)示出了达到最佳退耦结果的VS/2偏置电路。在两种情况中,偏置电压加在同相输入端,反馈到反向输入端以保证相同的偏置电压,并且单位DC增益也要偏置相同的输出电压。耦合电容器C1使低频增益从BW3降到单位增益。

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图12. 单电源同相输入放大器电路正确的电源退耦方案。中频增益=1+R2/R1

如上图所示,当采用100 kΩ/100 kΩ电阻分压器时一个好的经验是,为获得0.3 Hz的 - 3 dB截止频率,应当选用的C2最小为10 μF。而100 μF(0.03 Hz)实际上对所有电路都足够了。

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图13. 单电源反相输入放大器正确的退耦电路。中频增益= - R2/R1

来源:EDN电子技术设计 微信号:edn-china

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