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信号放大计算

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43 第三章 信号放大

本章学习要点

1. 运算放大器的主要参数及其含义。在设计放大器时如何选用运算放大器。

2. 放大器的主要参数有输入阻抗和增益。采用运算放大器构成的放大器的形式主要有同相放大器、反相放大器和差动放大器，它们各有不同的特点和适用场合。

3. 仪用放大器是一种高性能的差动放大器。它具有高输入阻抗、高共模抑制比和高增益等优点。主要用作为传感器接口电路和前置放大器。实际应用时应考虑选用集成化的仪用放大器。

4. 增益可改变的放大器是测控系统具有自适应性和智能的基础之一。应用时应选用集成化的增益可改变放大器。

5. 光电隔离放大器是测控系统中经常采用的手段之一。目的在于提高系统的抗干扰和安全性能。同样，在设计时应优选集成化光电隔离放大器。

6. 应该指出，已有不少的器件把仪用放大器、增益可改变放大器和光电隔离放大器集成在一枚芯片上。设计测控系统时，不要把各级电路绝对地分开考虑，而应该从整体系统考虑，选用规模尽可能大的集成芯片，使系统所用的器件尽可能地少，器件所能实现的功能尽可能地多。只有这样，可使系统电路结构简单、调试方便、可靠性高、性能优良。

3.1 概述

放大器是任何一台现代测量仪器不可缺少的基本电路。越灵敏的仪器，越需要高增益高性能的放大器。根据实际仪器的功能和要求的不同，对放大器也有这样或那样的性能要求，如增益的高低，频带的宽窄，输入阻抗的高低，等等。实际上，放大器的参数远不止这些，还有许许多多的参数来表征放大器，如非线性放大器，程控放大器，差动放大器，微功耗放大器，轨—轨放大器„„所以，放大器的种类举不胜举。往常，通用运算放大器是设计工程师们的“万金油”。不管什么样的放大器都用通用运算放大器来设计。虽然有的运算放大器在某个或某些参数上具有突出的特性，比较适合于某些应用场合。但可以说，最适合应用于某种场合的放大器一般都不是采用通用运算放大器所构成的放大器，而是采用某些有特色的运算放大器或专门设计的放大器芯片。

即使是运算放大器，也有很多种类可供选择使用：

低噪声放大器；

高速放大器；

高频放大器；

高输入阻抗放大器；

精密放大器；

低功耗与微功耗放大器；

大功率放大器；

低电流噪声、低偏置电流放大器；

电源正负限输入输出放大器； 44 双运算放大器；

四运算放大器，等等。

要选用合适的放大器，应对放大器的主要参数有所了解。因此，在介绍放大器之前，先讨论集成运算放大器的主要参数，只有掌握了运算放大器的参数，才有可能根据实际应用的具体要求，设计出合理可行的放大器。

集成运算放大器的参数名目繁多，各生产厂商所给出的参数种类也可能有所不同，但其中包括了一些最基本的参数。下面我们仅就这些基本参数作一介绍，其中包括直流特性参数和交流特性参数。

3.1.1 集成运算放大器的主要直流参数

1． 输入失调电压IOV

集成运算放大器输出直流电压为零时，所加的补偿电压称为输入失调电压。

输入失调电压一般是mV数量级。采用双极型晶体管作为输人级的运算放大器，其IOV为±（1～10）mV。采用场效应管作为输入级的运放；其IOV大得多；而对于高精度、低漂移类型的运算放大器，IOV一般低至±0.5mV。最新型的高精度、低漂移运放，IOV只有几μV。

讨论：对某一型号的运放，参数手册给出的该型号运放的最大输入失调电压IOV值；而对该型号的某枚器件而言，其IOV必定小于手册给定值，且为某个相对固定的值。在设计直流信号前置放大器时，IOV就是可能的误差。在设计高精度前置放大器时，应该选择低IOV的运算放大器和设计相应调零电路。调零电路可利用运算放大器本身的调零端来实现。在某些场合，也可以与传感器的调零一并考虑。图3-1给出了上述两种调零电路的实例。

（a）运放的调零电路 （b）整体调零电路

图3-1 两种调零电路的实例

2．输入失调电压的温度系数IOaV

在一确定的温度变化范围内，失调电压的变化与温度变化的比值定义为输人失调电压的温度系数。一般可采用下式来表示：

TTVTVTVaVIOIOIOIO)()(12 （3-1）

式中：IOV（T1）——T1温度时的输入失调电压；IOV（T2）——T2温度时的输入失调电压。 VCC

Vo Vi R2

Vo

R4 R1

A

R3 Vf

VCC 45 有时输入失调电压随温度变化并非呈现单调性，因此可采用下式来计算平均温度系数：

TVVaVIDMINIDMAXIO （3-2）

式中：VIOMAX——T1～T2温度范围内最大的输入失调电压；VIOMIN——Tl～T2温度范围内最小的输入失调电压。

一般运算放大器的输入失调电压的温度系数约为 ±（10—20）μV／℃；而高精度、低漂移运算放大器的温度系数在±1μV／℃以下。

讨论：一般说来，输入失调电压IOV大的器件，其输入失调电压的温度系数IOaV也大。但输入失调电压的温度系数IOaV与输入失调电压IOV不同，输入失调电压IOV可以用调零电路基本上予以消除，而输入失调电压的温度系数IOaV对电路精度的影响是采用简单的电路设计难以消除的，或者代价太大。

由上述可知，由于输入失调电压、输入失调电流以及输入偏流均为温度的函数，所以产品手册中均应注明这些参数的测试温度。此外，需要指出的是，上述各参数均与电源电压以及运算放大器输入端所加的共模电压值有关。手册中的参数一般是指在标准电源电压值以及零共模输入电压条件下的测试值。因而在设计高精度直流或缓变信号前置放大器时，必须选择输入失调电压的温度系数IOaV在工作范围内对精度的影响小于应用的要求的器件，或者是采用斩波稳零等形式的电路。

3. 输入偏置电流IBI

当运算放大器的输出直流电压为零时，其两输入端偏置电流的平均值定义为输入偏置电流。两输入端的偏置电流分别记为1IBI与2IBI，而IBI表示为

221IBIBIBIII （3-3）

对于双极型晶体管输入的运算放大器，其IBI为10 nA～lμA；对于场效应晶体管输人的运算放大器，IBI一般小于1 nA。

讨论：值得指出的是：

(1)运放的输入偏置电流IBI是不可消除的，即使是同相放大器或跟随器的输入端必须有提供输入偏置电流IBI的通路（参考图3-2）。

(2)在设计高精度直流放大器或选用具有较大的输入偏置电流IBI的运放时，必须使运放两输入端的直流通道电阻相等。

（a） （b） （c）

图3-2 设计放大器时对输入偏置电流IBI的考虑

说明：（a）由于运放正输入端没有直流通道，不能为运放提供偏置电流，所以电路不能正常工作。（b）由于电阻R能够为运放提供偏置电流，所以电路能够工作，但由于输入偏置电流在电阻R上产生明显的压降，从而影响电路的精度。（c）在运放的负输入端加上Vi Vo A C

R

R Vi Vo A C

R Vi Vo A C 46 一个平衡电阻，可以使运放两个输入端由偏置电流在两电阻上产生的压降相等，从而消除偏置电流的影响。

4．输入失调电流IOI

输入失调电流IOI定义为当运算放大器输出直流电压为零时，两输入端偏置电流的差值，

21IOIOIOIII （3-4）

一般说来，运算放大器的偏置电流越大，其输入失调电流也越大。

讨论：输入失调电流IOI与输入失调电压IOV都是由运放两差动输入级的不均匀所引起的。输入失调电流IOI所产生的误差是通过两输入端来实现的，但与输入失调电压IOV一样，可以在很大部分通过调零电路来消除。实际上，可采用一个调零电路来消除输入失调电流IOI和输入失调电压IOV的影响。对直流前置放大器和高精度传感器，可采用同一调零电路消除输入失调电流IOI与输入失调电压IOV及传感器的零点误差。

输入偏置电流和输入失调电流的温度系数，分别用IBaI和IOaI来表示。

讨论：由上述介绍可知，由于输入失调电压、输入失调电流以及输入偏流均为温度的函数，所以产品手册中均应注明这些参数的测试温度。此外，需要指出的是，上述各参数均与电源电压以及运算放大器输入端所加的共模电压值有关。手册中的参数一般是指在标准电源电压值以及零共模输入电压条件下的测试值。因而在设计高精度直流或缓变信号前置放大器时，必须选择输入失调电压的温度系数IOaV、输入偏置电流的温度系数IBaI和输入失调电流的温度系数IOaI在工作范围内对精度的影响小于应用要求的器件，或者是采用斩波稳零等形式的电路。

5．差模开环直流电压增益VDA

当运算放大器工作于线性区域时，在差模电压输入后，其输出电压变化么OV与差模输入电压变化IV的比值，称为差模开环电压增益，即

IOVDVVA （3-5）

差模开环电压增益以分贝（dB）为单位，则可用下式表示：

)(201dBVVgAIOVD （3-6）

实际运算放大器的差模开环电压增益是频率的函数，所以手册中的差模开环增益均指直流（或低频）开环电压增益。目前，大多数集成运算放大器的直流差模开环电压增益均大于104倍以上。

讨论：要注意一枚实际的运算放大器的开环增益是十分有限的，不可能是“理想的”。在设计高精度电路时千万不要忽视这一点。为给读者一个具体的印象，我们计算一个同相放大器的增益（参见图3-6）。假设R1＝1k，R2＝99k，则按照理想的运算放大器来计算该同相放大器的增益得：Af＝100。但实际上，考虑运算放大器不是理想的，其增益为有限值，假定选用的运放的增益A为80dB，电路的反馈深度F＝1/100。根据负反馈放大器的增益计算公式可以得到该同相放大器的实际增益为：

)1/(AFAAf 47 )100/101/(1044

01.99

因此可见：

(1)一枚实际运算放大器不可能是“理想的”，设计高精度放大器时必须考虑其有限的参数值对电路精度的影响：采用准确的参数和精确的公式来计算并经过实验来确定或设计适当的调整环节。

(2)所谓高精度运放，其开环增益必定要高。所以，设计高精度放大器，应该选用高精度运放。

6．共模抑制比CMRK

运算放大器工作于线性区时，其差模电压增益VDA与共模电压增益VCA之比称为共模抑制比，即

VCVDCMRAAK （3-7）

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放大电路au计算公式

放大电路au计算公式

放大电路au计算公式

放大电路是现代电子工程中最常用的电路类型之一。针对不同的设计需求，需要使用不同的电路参数来实现放大电路的设计计算。其中，AU计算公式是放大电路设计的一个重要部分。

AU计算公式是放大电路中常用的计算公式之一，常用于放大电路的设计和分析。AU的含义是放大电路输出信号与输入信号之比的大小，通常用dB或倍数来表示。这个指标是非常重要的，因为它直接反映了电路的放大能力。而AU计算公式就是计算放大电路的AU的公式。

AU计算公式涉及到许多电路参数，因此在设计和计算之前需要了解这些参数的定义和计算方法。以下是一些常用的电路参数：

1. 增益（Gain）：增益是指输出电信号幅度与输入电信号幅度之比。增益可以表示为数字值或以dB为单位的值。

2. 带宽（Bandwidth）：带宽是指放大电路在不同频率下的放大能力。带宽越宽，电路的放大性能就越好。

3. 输入阻抗（Input Impedance）：输入阻抗是指电路响应输入信号时所呈现的阻抗。

4. 输出阻抗（Output Impedance）：输出阻抗是指电路输出信号时所呈现的阻抗。 在设计和计算放大电路时，AU计算公式可以帮助我们快速计算出电路的放大能力。接下来，我将介绍两个常用的AU计算公式。

1. 标准非反馈放大电路AU计算公式

在标准非反馈放大电路中，输入信号直接传递到输出端，不经过反馈回路。这种电路通常用于单级放大器的设计。AU计算公式可以表示为：

AU = Vout / Vin

其中，Vout是输出电信号幅度，Vin是输入电信号幅度。

如果增益以dB为单位，则AU的计算公式可以表示为：

AU = 20log(Vout / Vin)

2. 反馈放大电路AU计算公式

反馈放大电路是一种利用反馈回路来影响输出信号的电路。反馈可以降低噪音和失真，提高电路的稳定性。AU计算公式可以表示为：

AU = (1 + Aβ)/β

其中，A是放大电路的开环增益，β是反馈电路的比例。

两级运算放大器参数计算

两级运算放大器参数计算

两级运算放大器参数计算

运放（运算放大器）是指一种能放大输入信号的电子设备，常用于放大低电平的信号以及信号调节、滤波、放大等应用。运放具有非常好的线性特性，输入信号经过运放放大后，输出信号基本保持与输入信号相同的形状，但放大了很多倍。

在运放的应用中，常常需要根据具体的要求来选择适合的电路和参数。其中，两级运放是一种常用的放大器电路，由两个运放组成。

在计算两级运放的参数之前，我们需要明确以下几个概念：

1. 增益（Gain）：运放的增益是指输出信号与输入信号之间的比值关系，通常以倍数或者分贝（dB）来表示。增益越大，输出信号就越大。

2. 带宽（Bandwidth）：运放的带宽是指在一定范围内，运放输出信号的幅度能够保持线性增益的频率范围。带宽越大，运放的频率响应范围就越宽。

3. 输入阻抗（Input Impedance）和输出阻抗（Output Impedance）：输入阻抗是指运放输入端的电阻，输出阻抗是指运放输出端的电阻。输入输出阻抗越大，对待放大的信号影响越小。

下面以电压放大器为例，介绍两级运放的参数计算：

1.增益的计算：两级运放的增益等于第一级运放的增益与第二级运放的增益相乘。增益的计算方法可以通过运放的数据手册来获取，或者通过实验测量得到。

2.带宽的计算：两级运放的带宽等于第一级运放的带宽与第二级运放的带宽取较小值。带宽的计算方法也可以通过运放的数据手册来获取。 3.输入阻抗的计算：两级运放的输入阻抗等于第一级运放的输入阻抗与第二级运放的输入阻抗相乘。输入阻抗的计算方法可以通过运放的数据手册来获取。

4.输出阻抗的计算：两级运放的输出阻抗等于第一级运放的输出阻抗与第二级运放的输出阻抗相乘。输出阻抗的计算方法可以通过运放的数据手册来获取。

需要注意的是，两级运放的参数计算可能受到电源电压、工作温度等因素的影响，因此在实际应用中还需要考虑这些因素，并选择合适的电源和工作环境。

什么是放大电路的增益如何计算

什么是放大电路的增益如何计算

什么是放大电路的增益如何计算

放大电路是一种通过增大电信号幅度的设备或电路。在现代电子技术中，放大电路广泛应用于音频放大器、无线通信、遥控设备等领域。了解放大电路的增益以及如何计算是理解和设计放大电路的基础。本文将介绍放大电路的增益的概念和计算方法。

一、放大电路增益的概念

放大电路的增益是指输出信号和输入信号之间的电压或电流比值。放大电路可以将弱信号转换为更强的信号，并放大输入信号的幅度。放大电路的增益是对输入信号的放大效果量化的衡量标准，常用单位为分贝（dB）。

放大电路的增益可以分为电压增益和电流增益两种。电压增益是指输出电压与输入电压之间的比值，常用符号为Av；电流增益是指输出电流与输入电流之间的比值，常用符号为Ai。

二、放大电路增益的计算方法

1. 电压增益的计算方法

电压增益是最常见的一种增益，它描述了输入信号经过放大电路后输出信号的电压变化情况。电压增益的计算公式如下：

Av = Vo / Vi

其中，Av表示电压增益，Vo表示输出电压，Vi表示输入电压。电压增益的单位是伏特每伏特（V/V），或以分贝（dB）为单位表示。 例如，如果一个放大电路的输出电压为5伏特，输入电压为1伏特，则电压增益为：

Av = 5V / 1V = 5V/V

2. 电流增益的计算方法

电流增益是描述输入信号经过放大电路后输出信号的电流变化情况的一种增益。电流增益的计算公式如下：

Ai = Iout / Iin

其中，Ai表示电流增益，Iout表示输出电流，Iin表示输入电流。电流增益的单位为安培每安培（A/A），或以分贝（dB）为单位表示。

举个例子，如果一个放大电路的输出电流为10毫安，输入电流为2毫安，则电流增益为：

Ai = 10mA / 2mA = 5A/A

三、放大电路增益的影响因素

放大电路的增益受到多种因素的影响，下面列举了一些主要的影响因素：

1. 元器件和设备的特性：放大电路中使用的电子元器件和设备的特性（如晶体管的参数）将对增益产生影响。

扩频增益计算

扩频增益计算

扩频增益计算

扩频增益（Spread Spectrum Gain）是指在扩频通信系统中，由于信号频谱被扩展到更宽的带宽，从而在接收端获得的信号处理增益。扩频增益的计算通常与信号的带宽、扩频码片速率（chip rate）以及系统的处理增益有关。

扩频增益的计算可以采用以下步骤：

1. 确定原始信号的带宽（B）。

2. 确定扩频码片的速率（R），即每秒有多少个码片（chips）。

3. 计算扩频后的信号带宽（B'），通常等于原始信号带宽与扩频码片速率的比例。在直接序列扩频（DSSS）中，扩频后的信号带宽是原始信号带宽的R倍，即 B' = R * B。

4. 计算处理增益（G），这是接收端信号功率与发送端信号功率的比值。处理增益由扩频码片的速率决定，可以通过以下公式计算：

G = L * (B' / B)

其中，L是系统的总增益，包括放大器、滤波器等组件的增益。

5. 计算扩频增益（G_spread），这是扩频技术相对于未经扩频的信号所提供的额外增益：

G_spread = G - 1

这意味着扩频增益是处理增益与1（未经扩频的信号增益）之差。

请注意，扩频增益并不仅仅取决于带宽和码片速率，还受到信号传输过程中噪声和干扰的影响。在实际应用中，还需要考虑系统的噪声系数、接收机的性能以及其他可能影响信号质量的因素。