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发表于 2019-4-2 10:17:09
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关于电赛公开课
《模拟电路基础知识讲座》由 TI 邀请青岛大学傅强老师录制，深入浅出的介绍了模拟电路及电源相关的基础知识，帮助大家由浅入深地了解产品，更轻松的进行产品的选型和设计。
本课程共计80节视频内容，视频解析文字课40节，每周二、周四更新，欢迎同学观看学习。
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本节文字课程相关视频：
1. 可变增益放大器与压频转换器
2. 隔离放大器与音频功率放大器
1 可变增益放大器
在模数转换的应用中，如果信号的动态范围很宽（幅值忽大忽小），那么ADC的采样精度（位数）将无法适应要求。这时候就必须对信号进行可变增益放大后再进入ADC采样。
1) 对微弱信号大增益放大以达到“满量程”使用ADC位数的目的。
2) 对高幅值信号采用小增益放大防止超出ADC基准的范围。
3) 增益由电压控制的称为压控增益放大器（ Voltage-Controlled gain Amplifier，VCA）。
4) 增益由MCU进行数字化控制的称为程控增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA）。
首先介绍一下压控增益放大器VCA的使用，如图1所示为压控增益放大器VCA610的电路。
1) VCA610的增益范围-40dB~40dB，翻译成“普通话”就是可以缩小或放大100倍。
2) 控制电压VM2的范围0~-2V，0V对应增益-40dB，-2V对应增益40dB，按dB/V线性控制。进一步的，1V对应0dB（1倍放大），-0.5V对应-20dB（0.1倍放大），1.5V对应20dB（10倍放大）。
3) 图2所示为瞬时现象仿真图，输入信号VG1幅值为10mV。250μs至500μs时间段，幅值缩小部分已难以看清。750μs对应的控制电压为-2V，信号放大到1V。
4) 使用压控增益放大器需要特别注意压控端信号的稳定可靠，需引入必要的滤波电路。
压控增益放大器基本上都是负压控制，如果需要用MCU+DAC的方法来实现程控的话，产生负压信号是个问题。
1) 如果DAC的种类是可输出负压的，比如R-2R型（本身就要搭配运放），则正常输出负压控制VCA即可。
2) 如果DCA输出是单极性的，比如R-String型，则也需要后接运放构成的反相器（或负压平移电路）实现压控。
程控增益放大器PGA的使用则要傻瓜一些，一般几个程控引脚给上高低电平，即可控制增益。相比VCA，PGA的普遍带宽不够大，而且也并不便宜。
如图3所示的普通运算放大电路在一些场合可作为PGA来使用。
1) 改变反馈电阻RF可以调整增益。
2) 通过机械继电器，光耦继电器或者模拟开关芯片来切换RF。
3) 使用机械继电器的好处是不会插入额外电阻，RF阻值精确，而且带宽极高。
4) 图3的仿真中，VG1周期性的控制继电器RL1的开合，这样一来反馈电阻RF的阻值5k/10k周期性切换，放大倍数也就5倍10倍切换了。图4为瞬时现象仿真图，VG2为输入信号，VM1为输出信号。
5) 实际应用中，R3、R4乃至更多的反馈电阻都由继电器控制，可以按一定规律排成“阵列”。
采用普通运放加开关的方式获得程控增益有优点也有缺点：
1) 优点是精度高，而且可以使用高速放大器获得高带宽。
2) 缺点是不能获得太多程控档位，如果使用继电器作为开关，增益切换速度会比较慢。
2 电压频率转换器
如图5所示，经典的555定时器可以构成压控振荡器（Voltage ControlledOscillator，VCO），但是一般的压控振荡器的电压频率的线性度不好，只能用作锁相环（PLL）/锁频环（FLL)用途。精密压频转换器LM331（Voltage Frequency Converter，VFC），可以在100kHz内达到0.1%的线性度，这类VFC可以作为ADC用途。
为什么要将电压转换成频率？原因可能很多，这里给出一种信号传输方面的应用。
1) 当传感器距离处理器非常远，路途中又艰险重重（电磁环境恶劣）时，传输模拟电压信号无疑是不明智的。
2) 在传感器端将模拟电压信号转换为频率信号再进行传输，则传输的是数字信号。
3) 比起数字总线通信的方式，VFC方式通信速率要慢，但是抗干扰能力要强的多，也不存在误码率、数据校验等麻烦。
3 隔离放大器
当待测信号的电位（注意是电位不是电压）达到数百乃至数千伏时，无论是差分放大器还是电流检测放大器都将不堪一击。
隔离放大器是专门用于高压场合的放大器，如图6所示的隔离放大器原理图非常形象的把经典放大器的三角符号分割成了左右两级电路：
1) 左边的前级电路是高压信号输入端（主电路），电路总是需要供电的，所以VS1和GND1的电位也是高压。
2) 右边的后级电路是低压信号输出端（控制电压），低压部分需要单独供电，VS2和GND2与前级的电源完全隔离独立。
3) 为避免主电路高压传递到控制电路，隔离放大器没有反馈电阻，而是用变压器或者光耦将信号传递到后级，固定电压比例。隔离放大器ISO130采用光耦隔离方案，通过图2可估读出ISO130的放大倍数为8倍。
4) 利用变压器和光耦来传递模拟信号实际是很困难的，即使精心设计，其精度也和普通运放调理电路相去甚远。图7所示的正弦波和方波信号都不完美，但是变压器和光耦却能提供前后之间少则数千，多达上万伏特的绝缘耐压。
如图8所示，隔离放大器使用时，芯片的供电系统耐压值需要充分考虑。
1) 很多初学者刚接触电气隔离的时候，都会认为，只要加光耦了，就隔离的妥妥的了。实际电气隔离远不是一个光耦或变压器这么简单，真正隔离的难度在于芯片供电电源的隔离。
2) 除非使用电池供电，否则电气隔离芯片前后级电源的最终来源还是VG1所示意的220V/50Hz市电。
3) V1所示为高压的主电路，它与VCC1和GND1有电气连接，因此电位差不多（差不了几伏）。
4) VM3所示的电压探测点与控制电路相连，VCC2和GND2的电位与控制电路差不多。
5) 两套电源分别来源于变压器TR1和TR2的次级，显然次级线圈之间可能会有高达数千伏的高压。两个N2次级线圈在图中看似隔得很远，但是变压器TR1和TR2的初级线圈N1却是电气相连的，这意味着变压器的初次级线圈的耐压要扛得住几千伏。
6) 电气隔离的最终实质是电源隔离，无论用上多高级的光耦，最后还都要用到变压器。
4 音频功率放大器
网上有句名言“单反穷三代，音响毁一生”（或者反过来说），这说明人作为世界的主宰，对于自己的感官（视听）享受的追求是无止尽的。本节的内容的前半部分将科普音响中的功放电路原理，后半部分介绍“普通”集成音频放大器。
音频放大器又叫功放，功放这个词想必大家都不陌生，但知道功放分前（级功）放、后（级功）放的就不多了。
1) 喇叭负载的阻抗很低，标准喇叭只有4Ω和8Ω两种规格，如果没有输出电阻（内阻）极小的放大电路，是无法驱动的。
2) 由于喇叭实在“很难驱动”，所以后级功放的目的是获得极小的输出阻抗。
3) 实现这一目的的电路我们前面学过，基于射随电路（共集放大）的甲（A）类放大、乙（B）类放大、甲乙（AB）类放大，还有基于开关电路的D类放大电路都可以充当“后放”来使用。
4) 高品质的“后放”多为低效率的甲类放大，D类放大电路用于电池供电的便携设备。
喇叭除了能发出声响，我们还希望调节音量的大小，“后放”并不能实现这一功能，这时就需要“前放”来调节音量。
1) 音量的调节其实就是电压幅值的调节，也就是电压放大电路。基于三极管共射放大的运放电路可以实现这一目的，修改反馈电阻RF就可以改变音量了。
2) 用于前级的高性能音频运放的噪声和总谐波失真非常低（有的产品THD低至0.00003%），通常为“金封”或“陶瓷封装”。常用的有OPA627，OPA2111、LME49720NA、LM4562、LM4702，NE5532、AD827、LT1057。
此外对于如何不失真的调节RF可非常讲究，高质量音频信号的数控调节其实是一个非常复杂的问题，因为数字元件引入的非线性误差将极大的影响音质。
1) 比较专业的方案是采用专门的数控扩音器前置放大器，例如TI公司的PGA2500，约10美元1片。
2) 更专业的方案是采用数字控制电机带动高精度机械电位器的方法，如日本ALPS公司推出的系列马达电位器，几十到几百元人民币不等。
3) 为了减小普通机械电位器的滑动磨损和长期使用后接触不良，顶级的调音电位器的构造是做成类似编码器的构造，从小到大的多个精密电阻一端相连，另一段做成触点形式，调音时公共触点分别与电阻触点接触从而实现不同阻值的选择，这些触点都是银质镀金构造的。这种电位器典型如丹麦DACT 24级步进式电位器，价格在千元人民币左右。
4) 特别指出的是，调音电位器的阻值不是线性变化的，而是log型的，因为人耳分辨音量时，音强增强10倍，人的感觉仅大了1倍。
前放后放做在一起的功放称为“合并机”。现代功放中还可以见到电子管电路构成的，称为“胆机”，如图11所示。前述的晶体管放大电路则称为“石机”，混合两种器件的则称为“胆石”结合。
当然，如果不追求音质，很多廉价的音频功放芯片也可以同时实现前放和后放功能。如图12所示为桥式推挽（BTL）拓扑的TPA301原理框图。
1) BTL电路的本质还是乙类（甲乙类）放大电路，只不过为了避免使用耦合电容、避免双电源供电，才引入两个乙类放大电路构成桥式推挽。
2) 图13所示的BTL电路原理图中，上下两个推挽电路代表TPA301中的两个运放（普通运放的最后一级都是推挽电路）。由于单电源供电，运放的输出不能是负值。
3) 两个运放输入信号错开180°相位，则加载在RL（喇叭）两端的电压就是纯交流，幅值为单个运放输出的两倍，这就是BTL实现单电源供电交流输出的原理。
4) 根据图13中的原理图，TPA301中的运放构成反相比例运算电路，反馈电阻为RF，因此“前级”的放大倍数为：
（1）
欢迎大家留言作答以下题目，答案将在下期公开课公布。在答案公布前作答正确的同学，还将获得5枚赫兹币奖励哦~
课后问答：
选择题：
1、关于压控增益放大器，下列说法正确的是？
A.压控信号一般是正压
B.控制规律一般是线性
C.压控信号需要无干扰
D.搭配DAC可实现数控
2、压频转换器的适用场合？
A.传递数据量大的场合
B.干扰严重的场合
C.慢速信号的场合
D.传输距离远的场合
3、关于隔离放大器，下列说法正确的是？
A.适用于高压场合
B.需要隔离电源供电
C.放大倍数可调
D.放大倍数精确
4、关于音频功放，说法正确的是？
A.高带宽
B.谐波失真小
C.带负载能力强
参考答案：
1. CD
2. BCD
3. AB
4. BC
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