模电学习笔记 基本放大电路

博客介绍电子技术中“放大”概念,其本质是实现能量控制,作用针对变化量。还阐述放大电路主要技术指标,包括放大倍数、输入电阻、输出电阻和通频带,如放大倍数是输出与输入变化量之比,输入电阻越大越好,输出电阻越小带负载能力越强。

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一、“放大”的概念:

 

所谓“放大”从表面来看,似乎就是将信号的幅度由小变大,但是在电子技术中“放大”是这么理解的:

A、“放大“的本质是实现能量的控制,即用能量比较小的输入信号控制能量比较大的输出信号。

B、“放大“作用是针对变化量而言的。放大的对象是变化量。

二、放大电路的主要技术指标

1、放大倍数Au:电压放大倍数定义为输出电压与输入电压的变化量之比,与此类似,电流放大倍数定义为输出电流与输入电流的变化量之比。在测试情况下,二者可用正选相量之比来表示。

必须注意:以上必须在输出没有明显失真的情况下才有意义。

2、输入电阻Ri:从输入端看进去的等效电阻称为输入电阻,输入电阻描述了放大电路对输入信号源索取电流的大小,通常希望输入电阻越大越好,这样对信号源的电流要求就越小。

3、输出电阻Ro:当输入端短路,输出负载开路,外加正选输出电压,其输出电压与输出电流变化量之比即为输出电阻,他反映了放大电路带负载的能力,通常希望输出电阻越销越好,越小带负载能力越强。

3、通频带BW:

 

 

 

放大电路本身存在极间电容,还有一些放大电路中存在电抗性元件,一般情况下,频率升高或降低,放大倍数都会下降,通常将放大倍数在高频和低频段分别下降到中频段的跟二分之一时所包括的频率范围称为通频带。

### 跨阻放大器的设计与分析 跨阻放大器(Transimpedance Amplifier, TIA)是一种将流信号转换为压信号的路,广泛应用于光探测、传感器信号处理等领域。以下是对跨阻放大器设计与分析的关键点进行详细说明。 #### 1. 跨阻放大器的基本原理 跨阻放大器的核心是利用运算放大器的高增益特性来实现流到压的转换。输入流通过反馈阻 \( R_f \) 转换为输出压。其基本关系可以表示为: \[ V_{out} = -I_{in} \cdot R_f \] 其中 \( I_{in} \) 是输入流,\( R_f \) 是反馈阻[^3]。 #### 2. 跨阻放大器的拓扑结构 跨阻放大器通常基于运算放大器构建,常见的拓扑结构包括使用 CFB(跨导运算放大器)和 VFB(压反馈运算放大器)。CFB 放大器在高速应用中表现出色,因为它的带宽与增益变化的关系较小,并且可以通过调整反馈阻 \( R_1 \) 来优化闭环增益而不显著影响带宽[^3]。 #### 3. 设计中的关键参数 - **增益带宽积(GBW)**:对于 CFB 放大器,增益带宽并非恒定,但其带宽随增益的变化较小。设计时需要选择合适的反馈阻以确保稳定性和性能。 - **噪声性能**:跨阻放大器的噪声主要来源于运算放大器的输入噪声流和反馈阻的热噪声。降低噪声的关键在于选择低噪声的运算放大器和优化反馈阻值。 - **稳定性**:由于跨阻放大器通常具有较高的反馈阻值,可能引入相位裕量问题。因此,在设计中需要避免在反馈环路中加入容[^3]。 #### 4. 输入与输出特性 跨阻放大器的输入阻抗通常较低,这有助于匹配高阻抗的流源(如光二极管)。输出压范围受限于运算放大器的供压和负载条件。设计时需要考虑压、负载阻以及信号摆幅的要求。 #### 5. 实际应用中的注意事项 - **寄生容的影响**:实际路中,寄生容可能会导致高频不稳定。可以通过在反馈阻上并联一个小容来补偿。 - **温度漂移**:温度变化会影响运算放大器的偏置流和反馈阻的阻值,从而影响放大器的性能。选择温度系数低的元件可以减少这种影响[^4]。 ```python # 跨阻放大器的简单仿真代码示例 import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt # 参数定义 Rf = 1e6 # 反馈阻值 (欧姆) Cf = 10e-12 # 并联容值 (法拉) frequencies = np.logspace(1, 8, 1000) # 频率范围 (赫兹) # 计算增益和相位响应 omega = 2 * np.pi * frequencies Zf = 1 / (1 / Rf + 1j * omega * Cf) gain = np.abs(Zf) / Rf phase = np.angle(Zf, deg=True) # 绘制波特图 plt.figure(figsize=(12, 6)) plt.subplot(2, 1, 1) plt.semilogx(frequencies, 20 * np.log10(gain)) plt.title('Gain Response') plt.xlabel('Frequency (Hz)') plt.ylabel('Gain (dB)') plt.subplot(2, 1, 2) plt.semilogx(frequencies, phase) plt.title('Phase Response') plt.xlabel('Frequency (Hz)') plt.ylabel('Phase (degrees)') plt.tight_layout() plt.show() ``` ### 相关问题
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