贸泽科普实验室｜1mV放大1000倍，电子工程师的 “点石成金术”

1毛钱“变成”100块或许只是个美梦，但我们电子工程师却能轻松将1mV的信号放大1,000倍。本期，贸泽科普实验室上“才艺”，直接展示——

01、什么时候信号需要放大？

当信号强度无法满足后续电路的识别、处理或传输要求时，就需要放大信号，核心判断标准是：信号“够不够用”，下面这几种情况就需要放大：

1. 信号强度低于接收设备的“门槛”

许多传感器或信号源的信号比较弱，而后续电路有极低可识别的阈值。比如ADC的输入电压范围通常是 0~3.3V或0~5V，如果原始信号只有几十μV，ADC就分辨困难。还有麦克风输出的音频信号可能只有几mV，而功放芯片需要达到一定值才能驱动扬声器，这些时候就必须先放大信号了。

图1

2. 传输过程中，信号被噪声影响

通过线缆、无线信道传输，微弱信号容易被环境噪声，简单的理解，就像在嘈杂的环境里小声说话，对方听不清，必须使用喇叭，提高音量一样，在信号放大上，这种叫提高信噪比，接收端必须先放大，才能从噪声中提取有效信号。

3. 后续电路需要特定幅度的信号

有些电路对输入信号的幅度有明确要求，比如模拟滤波器需要输入信号达到一定幅度才能正常工作，否则滤波效果会失真。

02、信号放大有哪些方式？

今天主要为大家介绍两种常用的信号放大方式：第一种是采用分立器件搭建放大电路，第二种则是利用“黑盒子”运算放大器。

先来说说分立器件的方式：

晶体管放大电路以双极型晶体管或场效应管为核心放大器件，通过合理配置偏置电路和负载，能够有效放大微弱的电信号。例如“共射单管放大电路”，就是一种结构简单、成本低廉的放大器，非常适用于对低频和中频信号进行简易放大。

图2

其中，R1和R2组成分压电路，为三极管Q1的基极提供稳定的直流偏置电压；C3是输入耦合电容，隔离输入信号 VI中的直流分量；C4是输出耦合电容，隔离放大后的直流分量；Rc是集电极电阻，将三极管的集电极电流变化转换为电压变化。Re是发射极电阻，用于稳定静态工作点，Rc和Re确定电路的电压放大倍数。

在实际使用中，关键之处就是对各个元件的参数进行计算，也就是直流分析和交流分析，确保电路正常工作、防止信号失真的核心参数。

直流分析，也就是静态工作点计算，是三极管无信号输入时的直流电压和电流参数，决定了电路是否能正常放大，以上图中电路的参数为例，进行计算。

确定基极偏置电压，VB=R2/(R1+R2)*VCC，带入原理图中的数值得出，VB=2.16V；

计算发射极电压，根据三极管手册得知，VBE≈0.7V，VE=VB−VBE≈2.16V−0.7V=1.46V；

计算发射极电流，
IE=VE/Re≈1.46V/2K≈0.73mA；

计算集电极电流，放大区中IC≈IE，
所以IC≈IE≈0.73mA；

计算集电极电压，
VC=12V−IC*Rc≈12V−0.73mA×10K=4.7V

计算管压降，

VCE=VC−VE≈4.7V−1.46V=3.24V；

根据计算结果，VBE取0.7V时，VB>VE，且 VC>VB，三极管工作在放大区。

通过静态工作点计算，确定了这个点是可以放大的，但是能放大多少倍，就需要对电压放大倍数进行确认，也就是交流分析。电压放大倍数 AV 反映电路对交流信号的放大能力，在这个电路中，AV =V0/VI=Rc/Re，计算得出放大倍数约等于5倍，另外，如果Re的值增大，则AV减小，所以认为这个电路中Re引入了负反馈，因此，称Re为发射极反馈电阻，有抑制因hFE的分散性和VBE的温度变化而产生的发射极电流变化的作用。

这种单管的放大倍数有限，而且计算复杂，要提高放大倍数就要重新计算各个工作点的电压。其实还有一种办法，可以在不破坏直流电位关系的前提下，提高交流增益，就是在Re上并联一个旁路电容，这样一来，发射极到GND之间的交流电阻变小，增加了交流放大倍数，此时，在理想情况下的AV≈hFE 。

图3

通过上面对共射单管放大电路的实验，单管放大确实是没有问题的，但是在测试过程中我们发现，晶体管放大电路的单管放大倍数有限，通常只有几十到几百倍。那有没有办法再次提高晶体管的放大倍数呢？

既然单管放大电路能够实现几十到几百倍，如果多串几个单管，是不是就可以实现更高放大倍数？确实是这样，这就是多级放大电路，组成多级放大电路的每一个基本放大电路称为一级，级与级之间的连接称为级间耦合。多级放大电路有四种常见的耦合方式分别是直接耦合、阻容耦合、变压器耦合和光电耦合。

下图就是常见的直接耦合，各级之间的直流通路相连，因而静态工作点相互影响，这样就给电路的分析、设计和调试带来一定的困难。不过，直接耦合放大电路的突出优点是具有良好的低频特性，可以放大变化缓慢的信号，并且由于电路中没有大容量电容，所以易于将全部电路集成在一片硅片上，构成集成放大电路。

图4

多级放大解决了单管放大的缺点，但是，使用起来还是比较复杂的，为了弥补这些不足，所以集成运算放大器就出现了。

运放就像一个黑盒子，内部是由多个晶体管、电阻等元件通过半导体工艺集成在单一芯片上的高性能模拟集成电路。

这个就是经典双运算放大器LM358内部结构图，内部电路十分复杂，但整体可拆解为输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分，各部分分工明确，共同实现“高增益、低噪声、宽频带”的放大性能。

图5

LM358内部结构虽然复杂，但使用时仅需要少数外部元件就可以快速搭建需要的小信号放大电路。我们就用LM358实现同相、反相、差分放大以及电压跟随器功能。

首先，是LM358实现同相比例放大，电路如下图所示，输入信号是加在同相输入端，且输入波形和输出波形的相位是相同的。

它的增益G=Vout/Vin=（1+R2/R1），所以Vout=（1+R2/R1）*Vin，在传感器信号放大和音频放大中都可以见到它的身影。

图6

LM358实现反相比例放大，顾名思义输入信号是加在反相输入端，且输入信号与输出信号相位相反，相位差为180度。

它的增益G=-Vout/Vin=-（R2/R1），所以 Vout=-（R2/R1）*Vin。反相放大主要应用在信号反相、电流-电压转换中。

图6

将信号同时连接到LM358的两个输入端，就能构成差分放大电路。差分放大电路是对两个输入信号的 “差值” 进行放大，当R1=R2，R3=R4时，它的输出Vout=R3/R1(V2-V1)。差分放大电路的应用场景也很多，像存在干扰的场景，尤其在模拟电子和工业控制领域应用很多。

图7

而后是电压跟随，在信号隔离、负载驱动、基准缓冲等电路中尤其重要。电压跟随电路通常不需要外部组件，提供高输入阻抗和低输出阻抗，是很有用的缓冲器。这时的运放输入和输出电压相等，输入变化会产生等效的输出电压变化，即Vout=Vin，当然也可以认为它是增益为1的同相比例放大电路。

图8

上面这几种是集成运放的基本使用方法，集成运放还有非常丰富的另类用法。例如可以实现比较器、振荡器、有源滤波器等功能，下面就扩展一些比较经典的用法。

首先就是作为比较器，虽然现在有专门的比较器芯片，但是在一些设计中，也可以使用运算放大器实现。

比较器是运放的一种非线性形态，具有两个模拟电压输入U+和U-，一个数字状态输出端UO，输出端只有两种状态，用以表示两个输入端电位的高低关系。其中的 UH 代表高电平，UL 代表低电平，具体的电位值，取决于系统的定义。比如常见的数字系统中，有用 3.3V 代表高电平，0V 代表低电平，也有用 +12V 代表高电平，-12V 代表低电平。它们无非就是两个可以明显区分的电位。当U+>U-，输出UO=UH，当U+<U-，输出UO=UL。