基于运放的高增益电压放大器设计

毛卫平

（重庆电子工程职业学院，重庆，401331）

基于运放的高增益电压放大器设计

毛卫平

（重庆电子工程职业学院，重庆，401331）

该文分别分析高增益交流电压放大器和高增益直流电压放大器的主要指标及其影响因素，并给出解决措施和实例。

运放；高增益；放大器

前言

在物联网、智能家居及自动控制场合，现场传感器提供的电压信号非常微弱，有时需要进行高达80dB的电压放大，才能进行AD、检波等处理。集成运算放大器（简称运放）具有品种多、成本低、易单易用的特点，广泛应用电压放大器。但基于运放的高增益电压放大器，其指标如通频带、失真度、噪声、零点漂移等并不容易满足。

针对不同应用场合对放大器的不同指标要求，可以采用不同措施来实现。

1 高增益交流电压放大器设计

交流电压放大器的主要指标有：放大倍数、通频带、输入阻抗、失真度、噪声等，这些指标与电路拓朴、运放类型、元件参数等因素有关，了解影响每一指标的关键因素，才能采取正确的应对措施来满足每一指标要求。

基于运放的典型交流电压放大器如图1所示，左边为反相比例放大器，右边为正向比例放大器。以左边反相比例放大器为例。

输入阻抗： R1=Ri

输入阻抗决定于R1，若设计或应用场合对输入阻抗有严格要求，则意味着R1不能随意选择，若设计或应用场合对输入阻抗没有严格要求，建议R1要远大于信号源内阻，以减少信号源内阻对放大倍数的影响。但R1也并非越大越好，当R1选取过大时，会导致R2只能选更大阻值电阻才能满足放大倍数要求，而高阻值电阻，其带来的噪声将不可忽略。

放大倍数决定于R1、R2，由于R1还决定了输入阻抗，所以，通常先确定R1，再由放大倍数要求，计算出R2。

放大器的通频带，由其下限频率和上限频率决定，下限频率决定于R1和C1取值，由于R1还同时影响输入阻抗和放大倍数，所以，要调节下限频率，通常通过改变C1参数实现。C1取值越大，下限频率越低，但C1取值也非越大越好，当C1取值过大，尽管降低了下限频率，但电容体积变大、成本也上升。

上限频率决定于运放的增益带宽积(GWB)和放大器的放大倍数(vA)，与增益带宽积成正比，与放大倍数成反比。从考虑提高放大器上限频率角度出发，有选择高益带宽积的运放、限制每级放大器的放大倍数两措施可用。

失真度和噪声难用确定数学式表达，前者主要决定于闭环负反馈深度，负反馈越深，失真度越小，后者主要决定运放噪声特性和电路放大倍数。

若单独考虑每一指标，都容易满足，但综合考虑，各指标会相互制约，主要是放大倍数指标与失真度、通频带指标的矛盾，如提高放大倍数，意味负反馈变浅，失真度加大，通频带收窄。

单一运放组成的单级电压放大器，很难同时满足放大倍数、通频带、失真度的指标要求。可以采用多个运放，组成多个电压放大器级联，通过降低每级放大器的电压放大倍数，来降低每级放大器的失真度，来提高每级放大器的带宽，以解决放大倍数与失真度、通频带的矛盾。同时采用低噪声运放，来满足噪声指标。

图2为采用三个放大器级联的高增益交流电压放大器，电压增益可达80dB，电压增益可以按40db、20db、20db或30db、30db、20db分配给三个放大器完成。由于大部分应用场合为单电源供电，所以，放大器还改为单电源供电形式。改变思路是提供一个“新地”，其直流电压为电源电压的一半（由R6=R7实现），且其交流接地（由C5实现），然后将原来接至地的运放的正相输入端，改接至“新地”。

图1 反相比例放大器和正相比例放大器

图2 采用单电源的高增益交流电压放大器

2 高增益直流电压放大器设计

直流电压放大器的主要指标有：放大倍数、零点漂移、输入阻抗、噪声等。直流放大器由于是放大直流或变化缓慢的交流信号，因此，从输入到输出，整个信号传输通道，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电压放大器，前级的零点漂移，经后级放大，易导致后级输出的零点漂移不能接受。对于高增益直流电压放大器，要降低零点漂移，可以选择低输入失调电压和带零点漂移调节端的运放（如OP07）。

一个电压增益可达80dB的高增益直流电压放大器如图3所示。直流电压放大器通常对上限频率要求比较低，因此，允许每级放大器可具有较高的电压增益，因此，整个放大器由两级级联即可完成80dB电压放大。由于正相比例放大器可提供更高的输入阻抗与信号源匹配，所以，两级放大器都采用正相比例放大器，。两级运放都先用低输入失调电压的OP07运放，因此，两级运放都具有零点漂移调节端，但通常只需应用后级的零点漂移调节端即可。

图3 高增益直流电压放大器

3 结束语

基于运放的高增益电压放大器部分指标相互制约，要同时满足全部指标并不容易，需要分析影响每一指标的主要因素，然后针对不同应用场合的不同要求，采用不同措施来实现设计要求。

[1]殷铸灵,许良军. 小信号放大电路的噪声分析[J]. 机电原件, 2011 (6): 19-21.

[2]徐森林,刘学飞, 孙攀. 压电传感器前置放大电路分析[J]. 物联网技术, 2013(2): 27-29.

[3]郑永秋, 李圣昆, 任勇峰. 多通道高精度数据采集电路的设计与实践[J]. 电测与仪表, 2011(9): 86-90.

[4]张兵,马丁. 基于PCI的多通道程控电压放大器设计[J]. 电子测量技术, 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

毛卫平（1963—），男，重庆人，本科，高级工程师。研究方向：电子技术，通信与信号处理。