深度解析1mV信号放大1000倍的实现方式
将1分钱“变成”100元可能只是一个梦想，但我们电子工程师可以轻松地将1mV信号放大1000倍。在本期中，Mouser Science Lab 直接在—— 上展示“Talent”
01什么时候信号需要放大？当信号强度不能满足后续电路的识别、处理或传输要求时，需要对信号进行放大。核心判断标准是：信号是否“足够”。以下情况需要放大：
1. 信号强度低于接收设备的“门槛”许多传感器或信号源信号较弱，后续电路的可辨别阈值非常低。例如，ADC的输入电压范围通常为0~3.3V或0~5V。如果原始信号只有几十V，ADC就很难区分。而且麦克风输出的音频信号可能只有几mV，功放芯片需要达到一定值才能驱动扬声器。在这些情况下，必须首先放大信号。
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2. 传输过程中，信号被噪声影响通过有线和无线通道传输时，微弱信号容易受到环境噪声的影响。简单来说，就像在嘈杂的环境中小声说话，对方听不清楚。您必须使用扬声器来提高音量。就信号放大而言，这称为提高信噪比。接收端必须首先进行放大，以从噪声中提取有效信号。
3. 后续电路需要特定幅度的信号有些电路对输入信号的幅度有明确的要求。例如，模拟滤波器要求输入信号达到一定幅度才能正常工作，否则滤波效果就会失真。
02信号放大有哪些方式？今天我主要介绍两种常用的信号放大方法：第一种是使用分立元件搭建放大电路，第二种是使用“黑匣子”运算放大器。
先来说说分立器件的方式：晶体管放大电路采用双极型晶体管或场效应晶体管作为核心放大器件。通过合理配置偏置电路和负载，可以有效放大微弱的电信号。例如“共发射极单管放大电路”就是一种结构简单、成本低廉的放大器，非常适合低频、中频信号的简单放大。
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其中，R1和R2组成分压电路，为三极管Q1的基极提供稳定的直流偏置电压； C3为输入耦合电容，隔离输入信号VI中的直流分量； C4为输出耦合电容，隔离放大后的直流分量； Rc为集电极电阻，它将三极管的集电极电流变化转换为电压变化。 Re为发射极电阻，用于稳定静态工作点。 Rc和Re决定电路的电压放大系数。
实际使用中，关键是计算各个元件的参数，即直流分析和交流分析，它们是保证电路正常工作、防止信号失真的核心参数。
直流分析，即静态工作点计算，是晶体管在无信号输入时的直流电压和电流参数，决定了电路能否正常放大。以上图电路的参数为例进行计算。
确定基极偏置电压，VB=R2/(R1+R2)*VCC，带入原理图中的值即可得到，VB=2.16V；
计算发射极电压。根据三极管手册，VBE0.7V，VE=VBVBE2.16V0.7V=1.46V；
计算发射极电流，IE=VE/Re1.46V/2K0.73mA；
计算集电极电流，放大区ICIE，故ICIE0.73mA；
计算集电极电压，VC=12VIC*Rc12V0.73mA10K=4.7V
计算管子压降，VCE=VCVE4.7V1.46V=3.24V；
根据计算结果，当VBE为0.7V、VBVE、VCVB时，晶体管工作在放大区。
通过静态工作点计算，确定了这个点是可以放大的，但能放大多少倍需要确认电压放大倍数，也就是交流分析。电压放大系数AV反映了电路放大交流信号的能力。在该电路中，AV=V0/VI=Rc/Re，计算得出放大倍数约等于5倍。另外，如果Re值增大，AV减小，因此可以认为Re在该电路中引入了负反馈。因此Re称为发射极反馈电阻，具有抑制hFE离散和VBE温度变化引起的发射极电流变化的作用。
这种单管的放大倍数有限，计算复杂。为了提高放大系数，必须重新计算每个工作点的电压。事实上，还有另一种方法可以在不破坏直流电势关系的情况下增加交流增益，那就是与Re并联一个旁路电容。这样，发射极与GND之间的交流电阻变小，交流放大倍数增大。此时，理想条件下AVhFE。
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通过以上共发射极单管放大电路的实验，单管放大确实没有问题。但在测试过程中，我们发现晶体管放大电路的单管放大倍数有限，通常只有几十到几百倍。有什么办法可以再次提高晶体管的放大倍数吗？
既然单管放大电路可以做到几十倍到几百倍，那么如果串联更多的单管管，是不是可以实现更高的放大倍数呢？情况确实如此。这是一个多级放大电路。构成多级放大电路的各个基本放大电路称为级，级之间的连接称为级间耦合。多级放大电路中常见的耦合方式有四种：直接耦合、阻容耦合、变压器耦合和光电耦合。
下图所示为常见的直接耦合。各级之间的直流通路是连通的，因此静态工作点相互影响，给电路的分析、设计和调试带来一定的困难。然而，直接耦合放大电路的突出优点是具有良好的低频特性，可以放大缓慢变化的信号。由于电路中没有大容量的电容器，因此很容易将整个电路集成在硅芯片上，形成集成放大器电路。
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多级放大解决了单管放大的缺点，但使用起来还是比较复杂。为了弥补这些缺点，采用了集成运算放大器就出现了。
运算放大器就像一个黑匣子。内部是由多个晶体管、电阻等元件通过半导体工艺集成在单个芯片上的高性能模拟集成电路。
这是经典双运放LM358的内部结构图。内部电路非常复杂，但整体可以拆成四部分：输入级、中间级、输出级和偏置电路。各部分分工明确，共同实现“高增益、低噪声、宽带”的放大性能。
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虽然LM358内部结构复杂，但只需要很少的外部元件就可以快速搭建所需的小信号放大电路。我们使用LM358来实现同相、反相、差分放大和电压跟随器功能。
首先，LM358实现同相比例放大。电路如下图所示。输入信号加到同相输入端，输入波形和输出波形的相位相同。
其增益G=Vout/Vin=(1+R2/R1)，所以Vout=(1+R2/R1)*Vin，无论在传感器信号放大还是音频放大上都可以看出。
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LM358实现反相比例放大。顾名思义，输入信号加到反相输入端，输入信号和输出信号反相，相位差180度。
其增益G=-Vout/Vin=-(R2/R1)，所以Vout=-(R2/R1)*Vin。反相放大主要用于信号反相和电流电压转换。
图6
将信号同时连接到LM358的两个输入端，即可构成差分放大电路。差分放大器电路放大两个输入信号的“差值”。当R1=R2、R3=R4时，其输出Vout=R3/R1(V2-V1)。差分放大电路的应用场景也很多，比如存在干扰的场景，特别是在模拟电子和工业控制领域。
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然后是电压跟随，这在信号隔离、负载驱动、参考缓冲器等电路中尤为重要。电压跟随器电路通常不需要外部元件，提供高输入阻抗和低输出阻抗，并且是有用的缓冲器。此时运放的输入和输出电压相等，输入变化会产生等效的输出电压变化，即Vout=Vin。当然，也可以认为是增益为1的同相比例放大电路。
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以上是集成运算放大器的基本使用方法。集成运算放大器还有许多替代用途。例如，可以实现比较器、振荡器和有源滤波器等功能。这里有一些更经典的用法。
第一个是作为比较器。虽然现在有专门的比较器芯片，但在一些设计中，也可以使用运算放大器来实现。
比较器是一种非线性形式的运算放大器。它有两个模拟电压输入U+和U-，以及一个数字状态输出端UO。输出端只有两种状态，用来表示两个输入端电位的高低关系。其中UH代表高电平，UL代表低电平。具体的潜在价值取决于系统的定义。例如，在常见的数字系统中，3.3V代表高电平，0V代表低电平，+12V代表高电平，-12V代表低电平。它们只不过是两个明显可区分的潜力。当U+U-时，输出UO=UH，当U+时，输出UO=UH
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基于上述逻辑，可以实现过零比较器、迟滞比较器等功能电路。
运放实现振荡电路的核心原理是利用正反馈使电路满足“自振荡条件”，即输出信号通过反馈网络反馈到输入端，持续保持一定频率和幅度的振荡，而不需要外部输入信号。这是一个使用741运放设计的正弦波振荡器。我们还可以利用运放制作多功能信号发生器。
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我们来谈谈运算放大器是如何构成滤波电路的。我们知道，非常简单的无源滤波器元件就是电容和电感。如果与有源器件，如运算放大器、晶体管等结合起来，就形成有源滤波器电路。通常，滤波器电路根据其工作频段来命名，分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器和全通滤波器。具体差异这里不再解释。
下图所示为有源一阶低通滤波器电路。有源滤波器的运算放大器不仅可以补偿信号衰减，还可以提供增益。同时，运算放大器的高输入阻抗和低输出阻抗特性隔离了负载对滤波网络的影响，使得滤波性能更加稳定。
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以上就是为大家普及一下放大器电路的知识。随着集成运算放大器的价格越来越低，运算放大器通常用于精密小信号放大。当然，三极管并没有被完全废弃，在功率放大方面仍然可以看到它们的身影。
