毛衛(wèi)平

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶，401331）

基于運放的高增益電壓放大器設(shè)計

毛衛(wèi)平

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶，401331）

該文分別分析高增益交流電壓放大器和高增益直流電壓放大器的主要指標(biāo)及其影響因素，并給出解決措施和實例。

運放；高增益；放大器

前言

在物聯(lián)網(wǎng)、智能家居及自動控制場合，現(xiàn)場傳感器提供的電壓信號非常微弱，有時需要進(jìn)行高達(dá)80dB的電壓放大，才能進(jìn)行AD、檢波等處理。集成運算放大器（簡稱運放）具有品種多、成本低、易單易用的特點，廣泛應(yīng)用電壓放大器。但基于運放的高增益電壓放大器，其指標(biāo)如通頻帶、失真度、噪聲、零點漂移等并不容易滿足。

針對不同應(yīng)用場合對放大器的不同指標(biāo)要求，可以采用不同措施來實現(xiàn)。

1 高增益交流電壓放大器設(shè)計

交流電壓放大器的主要指標(biāo)有：放大倍數(shù)、通頻帶、輸入阻抗、失真度、噪聲等，這些指標(biāo)與電路拓樸、運放類型、元件參數(shù)等因素有關(guān)，了解影響每一指標(biāo)的關(guān)鍵因素，才能采取正確的應(yīng)對措施來滿足每一指標(biāo)要求。

基于運放的典型交流電壓放大器如圖1所示，左邊為反相比例放大器，右邊為正向比例放大器。以左邊反相比例放大器為例。

輸入阻抗： R1=Ri

輸入阻抗決定于R1，若設(shè)計或應(yīng)用場合對輸入阻抗有嚴(yán)格要求，則意味著R1不能隨意選擇，若設(shè)計或應(yīng)用場合對輸入阻抗沒有嚴(yán)格要求，建議R1要遠(yuǎn)大于信號源內(nèi)阻，以減少信號源內(nèi)阻對放大倍數(shù)的影響。但R1也并非越大越好，當(dāng)R1選取過大時，會導(dǎo)致R2只能選更大阻值電阻才能滿足放大倍數(shù)要求，而高阻值電阻，其帶來的噪聲將不可忽略。

放大倍數(shù)決定于R1、R2，由于R1還決定了輸入阻抗，所以，通常先確定R1，再由放大倍數(shù)要求，計算出R2。

放大器的通頻帶，由其下限頻率和上限頻率決定，下限頻率決定于R1和C1取值，由于R1還同時影響輸入阻抗和放大倍數(shù)，所以，要調(diào)節(jié)下限頻率，通常通過改變C1參數(shù)實現(xiàn)。C1取值越大，下限頻率越低，但C1取值也非越大越好，當(dāng)C1取值過大，盡管降低了下限頻率，但電容體積變大、成本也上升。

上限頻率決定于運放的增益帶寬積(GWB)和放大器的放大倍數(shù)(vA)，與增益帶寬積成正比，與放大倍數(shù)成反比。從考慮提高放大器上限頻率角度出發(fā)，有選擇高益帶寬積的運放、限制每級放大器的放大倍數(shù)兩措施可用。

失真度和噪聲難用確定數(shù)學(xué)式表達(dá)，前者主要決定于閉環(huán)負(fù)反饋深度，負(fù)反饋越深，失真度越小，后者主要決定運放噪聲特性和電路放大倍數(shù)。

若單獨考慮每一指標(biāo)，都容易滿足，但綜合考慮，各指標(biāo)會相互制約，主要是放大倍數(shù)指標(biāo)與失真度、通頻帶指標(biāo)的矛盾，如提高放大倍數(shù)，意味負(fù)反饋變淺，失真度加大，通頻帶收窄。

單一運放組成的單級電壓放大器，很難同時滿足放大倍數(shù)、通頻帶、失真度的指標(biāo)要求。可以采用多個運放，組成多個電壓放大器級聯(lián)，通過降低每級放大器的電壓放大倍數(shù)，來降低每級放大器的失真度，來提高每級放大器的帶寬，以解決放大倍數(shù)與失真度、通頻帶的矛盾。同時采用低噪聲運放，來滿足噪聲指標(biāo)。

圖2為采用三個放大器級聯(lián)的高增益交流電壓放大器，電壓增益可達(dá)80dB，電壓增益可以按40db、20db、20db或30db、30db、20db分配給三個放大器完成。由于大部分應(yīng)用場合為單電源供電，所以，放大器還改為單電源供電形式。改變思路是提供一個“新地”，其直流電壓為電源電壓的一半（由R6=R7實現(xiàn)），且其交流接地（由C5實現(xiàn)），然后將原來接至地的運放的正相輸入端，改接至“新地”。

圖1 反相比例放大器和正相比例放大器

圖2 采用單電源的高增益交流電壓放大器

2 高增益直流電壓放大器設(shè)計

直流電壓放大器的主要指標(biāo)有：放大倍數(shù)、零點漂移、輸入阻抗、噪聲等。直流放大器由于是放大直流或變化緩慢的交流信號，因此，從輸入到輸出，整個信號傳輸通道，不能采用RC耦合，只能采用直流耦合。采用直流耦合的高增益電壓放大器，前級的零點漂移，經(jīng)后級放大，易導(dǎo)致后級輸出的零點漂移不能接受。對于高增益直流電壓放大器，要降低零點漂移，可以選擇低輸入失調(diào)電壓和帶零點漂移調(diào)節(jié)端的運放（如OP07）。

一個電壓增益可達(dá)80dB的高增益直流電壓放大器如圖3所示。直流電壓放大器通常對上限頻率要求比較低，因此，允許每級放大器可具有較高的電壓增益，因此，整個放大器由兩級級聯(lián)即可完成80dB電壓放大。由于正相比例放大器可提供更高的輸入阻抗與信號源匹配，所以，兩級放大器都采用正相比例放大器，。兩級運放都先用低輸入失調(diào)電壓的OP07運放，因此，兩級運放都具有零點漂移調(diào)節(jié)端，但通常只需應(yīng)用后級的零點漂移調(diào)節(jié)端即可。

圖3 高增益直流電壓放大器

3 結(jié)束語

基于運放的高增益電壓放大器部分指標(biāo)相互制約，要同時滿足全部指標(biāo)并不容易，需要分析影響每一指標(biāo)的主要因素，然后針對不同應(yīng)用場合的不同要求，采用不同措施來實現(xiàn)設(shè)計要求。

[1]殷鑄靈,許良軍. 小信號放大電路的噪聲分析[J]. 機(jī)電原件, 2011 (6): 19-21.

[2]徐森林,劉學(xué)飛, 孫攀. 壓電傳感器前置放大電路分析[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù), 2013(2): 27-29.

[3]鄭永秋, 李圣昆, 任勇峰. 多通道高精度數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計與實踐[J]. 電測與儀表, 2011(9): 86-90.

[4]張兵,馬丁. 基于PCI的多通道程控電壓放大器設(shè)計[J]. 電子測量技術(shù), 2012(4): 19-23.

Design of High Gain Voltage Amplifier Based on Integrated Operational Amplifier

Mao Wei-ping
(Chongqing college of electronic engineering , Chongqing 401331, China)

This paper analyzes the main index and influencing factors of high gain, alternating voltage and directing Voltage amplifiers respectively, and presents countermeasures and exancples.

Integrated operational amplifier; high gain; amplifier

TN721.1

A

1674-3083（2016）06-0020-03

2016-11-14

毛衛(wèi)平（1963—），男，重慶人，本科，高級工程師。研究方向：電子技術(shù)，通信與信號處理。