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第3课 基本放大电路
1．反相放大电路 反相放大电路是信号从运放反相端输入的应用电路，具有输出信号与输入信号极性相反，输入电阻不高，可以作为电流输入型运算电路，无共模输入电压，噪声较小，信噪比高等特点。其电路如图1.3.1所示。当R1= Rf时，放大电路输出电压等于输入电压的负值，因此也称为反相器。R1的取值要远大于输入信号的内阻，通常取值范围为几千欧姆至几十千欧姆；反馈电阻Rf不能取得太大，否则会产生较大的噪声及漂移，其值一般取几千欧姆到几百千欧姆之间。反相放大电路由于采用了负反馈控制，所以性能稳定，但其主要缺点是输入电阻较低。 图1.3.1 反相放大电路 2．同相放大电路与电压跟随器 同相放大电路具有输入电阻很高，输出电阻很低的特点，广泛用于前置放大器中。电路原理图如图1.3.2所示。输出和输入极性相同，放大倍数大于1；输入电阻为运放同相端对地的共模输入电阻，一般为108W及以上。该电路的缺点是易受干扰（输入电阻高易感应杂散电磁场）和精度低（运放输入端的共模信号等于输入信号）。 图1.3.2 同相放大电路 若R1为∞（开路）时，则AF为1，同相放大电路构成一个电压跟随器。由于此时电路几乎不从输入信号吸取电流，因此可视作一个电压源，是比较理想的阻抗变换器。 使用电流反馈（CFB）型运放设计电压跟随器时注意，运放的输出端与反相端是不能短接的，这样会破坏CFB运放的稳定性，导致电路出现振荡现象。正确的做法是在反相输入端和输出端接入电阻Rf（取值可以参考数据手册上的推荐值），如图1.3.3所示。 图1.3.3 电流反馈型运放构成电压跟随器的正确接法 【例1.3.1】使用运放设计一个高频10倍放大电路：要求输入信号Vpp≤ 100mV，-3dB带宽为90MHz。 （1）运放芯片选型 根据题目要求，带宽必高于90MHz，放大倍数10V/V，应选择单位增益带宽（GBW）高于900MHz的运放；又要保持带内增益平坦，选择电流反馈型比较合适。因此，本设计选用电流反馈型运放THS3201（单位增益带宽为1.8GHz）进行电路设计。电路如图1.3.4所示。 图1.3.4 高频10倍放大电路 （2）阻值选择 R2和R3的选择来自THS3201数据手册中的数据表：G=+10V/V时，R3=464Ω。这里选择R3=470Ω，R2=51Ω。由于信号频率高，所以选择特性阻抗为50Ω的射频同轴电缆线连接，输入输出连接50Ω的输入和输出电阻与之进行阻抗匹配。 （3）测试结果 该放大电路的幅频特性曲线如图1.3.5所示，由图可见满足设计要求。 图1.3.5 幅频特性曲线图 3．加（减）法电路 根据叠加定理，当有多路信号输入时，反相和同相放大电路可构成加法电路，如图1.3.6所示。加法电路在波形平移、极性变换、零点调节等电路中得到大量使用。反相加法电路中，由于运放反相端为虚拟地，可保证输入信号间不会发生串扰。同相加法电路中，由于运放同相端电位不为0，将会在输入信号间引入串扰，从而影响输出精度；为了尽可能减少输入间的串扰，R1和R2的取值要尽可能的大。也正因为如此，反相加法电路应用更为广泛。 图1.3.6 两路输入的反相和同相加法电路 反相加法电路中，若使其中一个信号u1经过一级反相后再作为输入信号，则加法电路可以变为减法电路，如图1.3.7所示。 图1.3.7 两路输入的减法电路 4．基本差分放大电路 如图1.3.8所示电路，当R1=R2，Rf=Rp 时，构成一个基本差分放大电路。其差模电压增益为
(1.3.1) 当R1=R2=Rf=Rp 时，图1.3.8电路为减法器，输出电压为
(1.3.2) 图1.3.8 基本差分放大电路 在实际使用中，差分放大电路的电阻参数很难完全匹配，导致共模抑制能力下降，这时可采用专用差分放大器，如AMP03、INA117、INA128和INA132等。仪表放大器把关键元件集成在放大器内部，其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点，使其在数据采集、传感器信号放大、高速信号调节、医疗仪器和高档音响设备等方面倍受青睐。 基本差分电路虽然可以达到放大差模信号，抑制共模信号的目的，但存在输入电阻较低、增益调节不方便的缺点。例如，当差模放大电路的两个输入端分别接入两个信号源时，信号源的内阻可视为输入电阻中的一部分。因此，如果两个信号源的内阻不相等，对共模抑制比的影响会非常明显。并且差模放大倍数也会受到影响。为了减小信号源的影响，可以使用仪表放大器。 仪表放大器用来测量噪声环境中的弱信号。由于噪声通常是共模的，而信号应该是差分的，所以仪表放大器利用其共模抑制（CMR）特性将有用信号与噪声区分开。常见的仪表放大器基于三运放结构（如图1.3.9所示）。两个运算放大器用作前置放大器，其后跟随一个差分放大器。前置放大器提供高输入阻抗、低噪声和增益级；差分放大器抑制共模噪声，并能提供必要的额外增益。鉴于这种配置的对称性，输入放大器中的共模误差常常被差分放大器输出级消除。这些特性使得该三运放仪表放大器配置能够提供最高性能，也是其大受欢迎的原因所在。 图1.3.9 三运放结构的仪表放大器
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